综述：心肌细胞成熟与增殖是一枚硬币的两面

《BMC Cardiovascular Disorders》：Cardiomyocyte maturation and proliferation is a flip coin

本综述深入探讨了心肌细胞（CM）成熟与增殖之间此消彼长的“翻硬币”关系。文章系统阐述了CM在出生后经历的多倍体化、代谢重编程（如从糖酵解转向脂肪酸氧化）及肌节结构刚性增强等成熟过程，如何共同构成了其细胞周期退出和再生能力丧失的屏障。作者强调，通过干预关键靶点（如CPT1B、mTORC1、YAP）和通路，逆转成熟特征（如诱导代谢回转到糖酵解、肌节解聚），是重新激活成年CM增殖、促进心脏再生（如治疗缺血性心脏病）的潜在治疗策略。

　　

心肌细胞成熟与增殖：一枚硬币的两面

在心血管疾病领域，心力衰竭是全球范围内导致死亡的主要原因之一。成年哺乳动物心脏的再生能力极其有限，这主要是因为成年心肌细胞（CM）在出生后不久便退出细胞周期，进入终末分化状态。这种状态与心肌细胞的成熟过程紧密交织，如同“一枚硬币的两面”，成熟的一面朝向强大的收缩功能，而增殖的一面则朝向再生潜力，两者难以兼得。理解这对矛盾关系，是解锁心脏再生疗法大门的关键。

代谢转换是心肌细胞成熟与增殖的关键特征

哺乳动物心脏在出生前后经历了一场深刻的代谢革命。在胎儿和新生儿时期，心肌细胞主要依赖葡萄糖和乳酸进行糖酵解来获取能量。出生后，心脏的能源供应迅速转变为以脂肪酸氧化（FAO）为主。这一“代谢开关”与心肌细胞增殖能力的显著下降在时间上高度吻合。

越来越多的证据表明，逆转这一成熟的代谢特征，即从脂肪酸氧化切换回糖酵解，能够促进成年心肌细胞的细胞周期重新进入。例如，抑制脂肪酸氧化关键酶酰基辅酶A合成酶长链家族成员1（ACSL1）或肉碱棕榈酰转移酶1B（CPT1B），可以诱导心肌细胞增殖，并改善心肌梗死后的心脏功能。其机制部分涉及代谢物α-酮戊二酸的积累，后者作为表观遗传调节因子lysine-specific Demethylase 5（KDM5）的辅因子，通过去除组蛋白H3K4me3修饰来抑制成熟相关基因的表达，从而使细胞重返更幼稚的状态。

另一个关键调控点是 mechanistic target of rapamycin complex 1（mTORC1）。抑制mTORC1会加速产后代谢开关，损害细胞周期活性，从而抑制新生儿心脏梗死后的再生。相反，在成年心肌细胞中强制表达细胞周期因子（Cdk1, Cdk4, Ccnb, Ccnd，合称4F）诱导增殖时，会观察到葡萄糖氧化减少，而用于生物合成的糖酵解中间体供应增加，例如通过磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶2（PCK2）将碳流从三羧酸循环重新导向生物合成途径。丙酮酸激酶同工酶（PKM2）也通过维持糖酵解中间体池，在调节增殖中扮演复杂角色。

增加糖酵解中间体用于生物合成途径的可用性

在心脏发育过程中，糖酵解不仅提供能量，更重要的是为生物合成提供关键前体。这些中间体进入磷酸戊糖途径、己糖胺生物合成、甘油酯合成和丝氨酸生物合成途径，为产生子代细胞所需的核苷酸、氨基酸和甘油磷脂等提供原料。在强制诱导心肌细胞增殖时，这种对生物合成的需求同样显著。例如，4F诱导的心肌细胞增殖伴随着生物合成基因表达的上调，以及NAD⁺、糖原、己糖胺、磷脂和丝氨酸生物合成途径的增强。药物筛选研究还发现，激活甲羟戊酸途径（参与胆固醇合成和蛋白质异戊二烯化）的小分子能够增强人心肌细胞的增殖。这些发现共同表明，将心肌细胞代谢从分解代谢状态转向合成代谢状态，是细胞周期重新进入的关键步骤。

刚性的肌节结构是心肌细胞产后成熟的标志，也是成年心肌细胞增殖的障碍

肌节是心肌细胞的基本收缩单位，其高度有序的刚性结构是成熟心肌细胞维持高效收缩的基础，但也被认为是阻碍细胞分裂的主要物理屏障。在胎儿和新生儿时期，心肌细胞在增殖过程中会发生肌节的暂时性解聚，包括肌动蛋白、肌球蛋白等组分的分解，并在有丝分裂后于子细胞中重新组装。

强制诱导细胞周期也同样伴随着肌节的解聚。过表达4F细胞周期因子或激活的Yes-associated protein（YAP5SA）均能促进心肌细胞增殖，同时观察到肌节基因的瞬时下调或肌节结构的去组织化。最近的研究发现，肌动蛋白加帽蛋白adducin在新生儿心肌细胞中高表达，能驱动有丝分裂期间的肌节解聚，而其在成年后的表达下降。在成年小鼠心肌细胞中重新表达adducin可导致肌节解聚，为肌节解聚是细胞周期重新进入的必要步骤提供了有力证据。

钙信号（Ca²⁺）在这一过程中也扮演重要角色。抑制L型钙通道（LTCC）可降低细胞内钙浓度，进而减少钙调磷酸酶（calcineurin）的活性。这抑制了Hoxb13的核转位，而Hoxb13是转录因子Meis1的辅因子，后者在产后介导细胞周期停滞中起关键作用。敲除Meis1和Hoxb13可诱导心肌细胞有丝分裂，并伴随肌节解聚。这表明，成熟的钙信号通路与肌节结构一样，是增殖的屏障。

多倍体化和多核化是成熟心肌细胞的标记，也是增殖的障碍

哺乳动物心脏在出生后生长策略发生转变，从增加心肌细胞数量转变为增大现有细胞体积。许多心肌细胞经历多核化和核内多倍体化，导致DNA含量增加。相比之下，终生保持再生能力的斑马鱼，其心肌细胞始终保持单核二倍体状态。研究表明，诱导斑马鱼成年心肌细胞多倍体化会使其丧失再生能力。不同小鼠品系中，单核二倍体心肌细胞（MNDCMs）的比例与损伤后心脏功能恢复能力呈正相关。抑制肌钙蛋白I相互作用激酶（Tnni3k）可增加MNDCMs的数量并增强心肌梗死后的增殖。心肌细胞在出生后不能完成胞质分裂形成双核细胞，与中心粒丢失、纺锤体定位异常、收缩沟内陷失败等多种机制有关。研究显示，使用p38 MAP激酶抑制剂或过表达神经调节蛋白1（NRG1）可强制促进双核心肌细胞完成胞质分裂。这些研究均表明，多倍体化和多核化与心肌细胞的产后成熟相关，并阻碍其增殖。

表观遗传调控心肌细胞的产后成熟与增殖

表观遗传机制，包括组蛋白修饰、DNA甲基化和microRNAs，在控制心肌细胞成熟和增殖中发挥着日益受到重视的作用。例如，抑制Kdm5去甲基酶家族可促进人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPS-CMs）的成熟，表现为脂肪酸氧化、氧化磷酸化增强，肌原纤维组织化程度提高，同时增殖减少。相反，在Cpt1b敲除小鼠模型中，脂肪酸氧化的抑制导致α-酮戊二酸依赖性Kdm5去甲基酶激活，通过去除H3K4me3修饰来下调成熟基因，促进细胞周期重新进入。另一项研究则发现，注射α-酮戊二酸给P7或成年小鼠，可通过降低细胞周期基因启动子区域的H3K27me3沉积，增加增殖标记物和单核心肌细胞数量。这些研究揭示了表观遗传调控在激活成熟和抑制细胞周期活性中的关键作用。

结论与未来展望

综上所述，心肌细胞的增殖与产后成熟是两个相互对立又相互关联的过程。成熟过程伴随着细胞周期退出，而诱导成年心肌细胞增殖则需要其重编程至一个相对不成熟的状态。尽管已有许多研究发现了能够促进成年心脏中心肌细胞增殖的因素，但调控心肌细胞产后退出细胞周期的核心机制仍未完全阐明。未来，更深入地理解心肌细胞成熟和细胞周期退出的分子驱动因素，将有望揭示新的治疗靶点，从而刺激心肌细胞增殖，实现成年心脏的再生修复。