Sirt3-CD38轴通过调控线粒体钙超载诱导心肌肥厚中线粒体功能障碍的机制研究

《European Journal of Medical Research》：The Sirt3–CD38 axis induces mitochondrial dysfunction in hypertrophied heart by regulating mitochondrial calcium overload

本研究针对Sirt3缺失如何通过CD38介导的NAD代谢紊乱导致线粒体钙超载这一关键科学问题，通过构建Sirt3基因敲除小鼠模型，结合多组学分析和细胞实验，首次揭示Sirt3-CD38轴通过cAMP信号通路调控MCU表达，诱导线粒体钙超载和氧化应激，最终导致心肌肥厚的新机制。该研究为年龄相关性心肌肥厚的防治提供了新的靶点和思路。

　　

随着年龄增长，心脏不可避免地会发生一系列病理改变，其中心肌肥厚是老年人常见的心脏重构现象。当心肌细胞长期承受压力负荷时，会启动代偿机制导致细胞体积增大，初期这种变化有助于维持心脏功能，但持续发展将逐步走向心力衰竭。在这一过程中，线粒体功能障碍被认为是推动疾病进展的核心环节。

线粒体作为细胞的"能量工厂"，在心肌细胞中尤其丰富，不仅负责产生ATP保障心脏收缩，还参与维持细胞内钙离子平衡和氧化还原稳态。研究表明，线粒体钙超载和氧化应激是心肌肥厚的重要特征，然而这两者之间的内在联系机制尚未完全阐明。Sirtuin-3(Sirt3)作为线粒体内重要的NAD⁺依赖性去乙酰化酶，随着年龄增长其表达水平显著下降，这与年龄相关性心肌肥厚的发生发展密切相关。但Sirt3如何通过调节其他NAD消耗酶（如CD38）影响线粒体钙稳态，进而导致心肌肥厚的具体机制仍有待探索。

针对这一科学问题，吉林大学第二医院心血管内科刘斌教授团队在《European Journal of Medical Research》上发表了最新研究成果。研究人员采用多学科交叉的研究策略，通过动物模型、细胞实验和多组学分析，系统揭示了Sirt3-CD38轴在心肌肥厚发生发展中的关键作用。

研究主要采用了以下关键技术方法：以12周龄Sirt3基因敲除小鼠作为心肌肥厚模型，通过HE染色和透射电镜观察心肌纤维和线粒体超微结构变化；利用RNA测序、蛋白质组学和代谢组学进行多组学整合分析；在H9C2细胞中通过siRNA敲低Sirt3表达，采用流式细胞术检测细胞内和线粒体活性氧(ROS)、钙离子浓度及线粒体膜电位(MMP)；使用Western blot和qPCR验证关键基因表达。

Sirt3缺失诱导心肌肥厚

研究首先证实Sirt3缺失与心肌肥厚的直接关联。Western blot结果显示Sirt3敲除小鼠心肌组织中Sirt3蛋白表达显著降低。HE染色显示Sirt3敲除小鼠心肌细胞横截面积明显增大，心肌纤维排列紊乱。RNA-seq结果显示心肌肥厚标志物ANP和BNP的表达显著上调。透射电镜进一步显示Sirt3敲除小鼠心肌纤维直径显著增加。这些结果一致表明Sirt3缺失足以诱导心肌肥厚表型。

Sirt3缺失通过损害线粒体功能促进心肌肥厚

线粒体超微结构观察发现，野生型小鼠心肌线粒体形态完整、嵴膜清晰，而Sirt3敲除小鼠线粒体出现嵴膜缺失、基质空泡化等病理改变。细胞实验显示，Sirt3敲低显著增加细胞内和线粒体ROS水平，降低线粒体膜电位，表明Sirt3缺失通过诱导线粒体功能障碍促进心肌肥厚发展。

Sirt3缺失通过抑制氧化磷酸化复合物亚基翻译诱导线粒体功能障碍

多组学分析揭示了Sirt3影响线粒体功能的新机制。转录组和蛋白组PCA分析显示两组样本明显分离，分别鉴定出1048个差异表达基因和299个差异表达蛋白。GO和KEGG分析表明这些分子主要富集于氧化磷酸化、钙信号通路和cAMP信号通路。值得注意的是，氧化磷酸化通路仅在蛋白组中显著富集，几乎所有的氧化磷酸化复合物亚基在蛋白水平均下调，而mRNA水平无显著变化。Western blot验证了MT-CO1、MT-ATP8和ATP5A1等关键氧化磷酸化亚基蛋白表达确实降低，提示Sirt3缺失在翻译水平抑制了氧化磷酸化复合物的组装。

代谢组学验证Sirt3缺失引起的线粒体氧化磷酸化功能障碍

代谢组学分析进一步支持上述发现。PCA显示Sirt3缺失组与野生组代谢谱明显分离，鉴定出大量差异代谢物。KEGG分析显示这些代谢物主要富集于氧化磷酸化、TCA循环和cAMP信号通路。值得注意的是，ATP、琥珀酸、磷酸烯醇式丙酮酸和乙酰辅酶A等关键能量代谢物含量显著降低，从代谢水平证实了Sirt3缺失导致的线粒体能量代谢障碍。

多组学分析揭示CD38是Sirt3缺失小鼠中主要的NAD消费者

通过整合分析发现，Sirt3缺失后NAD水平并未如预期那样升高，而是保持不变。进一步分析发现，NAD前体物质NAM（烟酰胺）含量显著降低，而NAAD（烟酸腺嘌呤二核苷酸）含量升高。值得注意的是，CD38是唯一在转录和翻译水平均显著上调的NAD消耗酶。这表明Sirt3缺失触发了NAD代谢的重编程：一方面通过上调Nampt促进NAD合成，另一方面通过上调CD38增加NAD消耗，最终维持NAD稳态。

Sirt3-CD38轴通过促进线粒体钙超载诱导线粒体功能障碍

通路整合分析发现，cAMP信号通路在转录组、蛋白组和代谢组三个层面均发生显著改变。CD38分解NAD产生的cADPR是调节细胞内钙动员的关键分子。实验显示Sirt3缺失或抑制后，细胞内和线粒体Ca²⁺浓度显著升高，线粒体钙单向转运体(MCU)表达上调而抑制蛋白MCUR1表达下降。更重要的是，CD38抑制剂能够显著缓解Sirt3敲低引起的钙超载、ROS过度产生和线粒体膜电位耗散，证实Sirt3缺失通过CD38依赖的方式诱导线粒体钙超载。

本研究通过多组学整合分析，首次系统阐明了Sirt3-CD38轴在年龄相关性心肌肥厚中的核心作用机制。研究发现Sirt3缺失通过上调CD38表达，增强NAD分解代谢，产生的cADPR通过cAMP信号通路促进MCU介导的线粒体钙内流，导致钙超载和氧化应激，最终引发线粒体功能障碍和心肌肥厚。这一发现不仅深化了对心肌肥厚发病机制的认识，更重要的是揭示了CD38作为Sirt3下游关键效应分子的新功能，为开发针对年龄相关性心肌肥厚的治疗策略提供了新的靶点。特别是CD38抑制剂能够有效缓解Sirt3缺失引起的线粒体功能障碍，这为临床干预提供了潜在的治疗方向。

该研究的创新之处在于将Sirt3缺失、NAD代谢紊乱、线粒体钙超载和氧化应激等多个关键病理环节有机串联，构建了完整的信号通路网络。未来研究可进一步探讨Sirt3代谢产物OAADPr（O-乙酰-ADP-核糖）对CD38表达的调控作用，以及PI3K-Akt信号通路在介导氧化磷酸化复合物翻译抑制中的具体机制，这些深入探索将为心肌肥厚的防治提供更多理论依据和实践指导。