综述：糖尿病心肌病中心肌能量代谢紊乱的作用：从新型蛋白质翻译后修饰的视角

本文聚焦糖尿病心肌病（DbCM），探讨其心肌能量代谢紊乱机制，分析了乳酸化（Kla）、β - 羟基丁酰化（Kbhb）等新型蛋白质翻译后修饰（PTMs）与能量代谢的关联，为 DbCM 病理生理学研究及新疗法开发提供理论依据，值得一读。

　　

糖尿病心肌病概述

糖尿病心肌病（DbCM）是糖尿病的重要慢性并发症，主要特征包括心肌肥大、间质纤维化、肌节结构变化以及冠状动脉微血管病变等。这些变化会导致心脏腔室容积改变、心脏顺应性降低和心脏功能受损。DbCM 与动脉粥样硬化、高血压、心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病存在因果关系，不仅增加了治疗难度，还大幅提高了患者死亡率，严重威胁患者的整体健康。

糖尿病心肌病中能量代谢紊乱

1. 葡萄糖代谢：2 型糖尿病患者心肌葡萄糖代谢显著受损。心肌细胞中细胞质葡萄糖代谢产生的丙酮酸进入线粒体进行三羧酸（TCA）循环代谢的能力明显下降。同时，糖尿病患者常出现胰岛素抵抗，导致心肌细胞表面葡萄糖转运蛋白 GLUT4 下调，葡萄糖摄取和利用减少。此外，心肌细胞中过氧化物酶体增殖物激活受体 α（PPARα）活性增加，会通过促进丙酮酸脱氢酶激酶 4（Pdk4）转录进一步抑制葡萄糖氧化利用。葡萄糖利用下降不仅降低了心肌细胞的能量供应效率，还可能引发一系列代谢异常，如高血糖毒性增加，进一步损害心肌细胞功能。
2. 脂肪酸代谢：糖尿病患者心肌细胞通过显著增强脂肪酸代谢来部分补偿受损的葡萄糖代谢。心肌细胞中膜转运蛋白（如 CD36）表达水平显著增加，促进了心脏对游离脂肪酸的摄取。在 DbCM 中，转录因子 PPARα 的异常激活进一步诱导多个与脂肪酸摄取、氧化和储存相关的下游基因同时上调，有效协调了心肌脂肪酸代谢的增强。然而，脂肪酸代谢中间产物水平升高可能通过别构调节或共价修饰直接抑制葡萄糖代谢酶的活性，导致葡萄糖利用减少。这种代谢模式的转变引发脂肪酸在心肌细胞中逐渐积累，最终增加脂质毒性，进一步损害心肌细胞的结构和功能。另外，脂肪酸氧化需要消耗更多氧气，可能导致心肌相对缺氧。
3. 酮体代谢：酮体包括乙酰乙酸、β - 羟基丁酸（β -HB）和丙酮，人体血清中 β -HB 的总量约占所有酮体的 70%。酮体在产生三磷酸腺苷（ATP）方面比葡萄糖和脂肪酸氧化效率更高，且耗氧相对较少，被认为是糖尿病背景下的潜在清洁能源。但目前对糖尿病心脏中酮体代谢的研究仍不足，实验结果存在冲突。部分临床研究和动物实验表明，糖尿病心肌病时心肌中 β -HB 水平升高，同时催化 β -HB 生成的调节酶 β - 羟基丁酸脱氢酶 1（BDH1）的表达和活性显著降低。在糖尿病心肌病大鼠模型研究中，观察到心肌对另一种酮体乙酰乙酸的利用增加，这与乙酰乙酸代谢酶琥珀酰辅酶 A：3 - 酮酸辅酶 A 转移酶（SCOT）活性增强密切相关。近期研究还发现，酮体可以抑制人类单核细胞中 NLRP3 炎性小体的激活、保护心力衰竭小鼠的血管内皮功能以及减轻脓毒症相关心肌病的氧化应激损伤，提示酮体可能通过这些机制延缓 DbCM 的进展。
4. 乳酸代谢：乳酸代谢在心肌细胞能量获取中起着关键作用。心肌细胞糖酵解过程中，葡萄糖经葡萄糖转运蛋白转运至细胞内转化为两分子丙酮酸。丙酮酸一方面可通过线粒体丙酮酸载体转运至线粒体，经丙酮酸脱氢酶转化为乙酰辅酶 A 后进入 TCA 循环；另一方面，在细胞质中可被乳酸脱氢酶（LDH）转化为乳酸。在糖尿病高血糖状态下，心肌细胞糖酵解加速，但由于线粒体功能障碍，尤其是丙酮酸载体（MPC）活性降低，丙酮酸无法有效进入线粒体进行氧化磷酸化，从而促进更多丙酮酸转化为乳酸。此外，DbCM 心肌细胞对乳酸的利用减少，导致细胞内乳酸水平升高。同时，心肌细胞中一元羧酸转运蛋白 4（MCT4）表达上调，导致乳酸流出增加，破坏了心肌细胞内乳酸 - 丙酮酸平衡，引发氧化应激和炎症，进一步加重心肌损伤 。

乙酰化与糖尿病心肌病的关系概述

乙酰辅酶 A 作为关键的酰基供体，在乙酰化（Kac）形成中发挥重要作用，同时也是心肌细胞能量代谢的枢纽。在心肌脂肪酸氧化代谢中，乙酰辅酶 A 主要在脂肪酸 β - 氧化过程中产生，然后进入 TCA 循环；在葡萄糖代谢中，糖酵解途径的终产物丙酮酸进入线粒体后可转化为乙酰辅酶 A，进一步参与 TCA 循环为心肌细胞供能；在酮体代谢中，乙酰乙酸也能转化为乙酰辅酶 A，参与能量代谢调节。Kac 的调节机制涉及三种酶：写入酶（如 GCN5 等）、擦除酶（如 HDAC1 - 5、SIRT1 - 7 等）和相应的读取酶（如 YEATS 等）。

在糖尿病状态下，心肌细胞能量代谢紊乱导致乙酰辅酶 A 的产生和利用失衡，进而通过调节组蛋白和非组蛋白的 Kac 水平影响 DbCM 的发病机制。例如，在链脲佐菌素（STZ）诱导的 1 型糖尿病小鼠实验中，增强 p53 的去乙酰化修饰可通过抑制铁死亡机制保护心肌细胞免受高糖损伤；在 db/db 小鼠（2 型糖尿病模型）肾衰竭实验中，发现心脏组蛋白 H3 在赖氨酸 9 和赖氨酸 23 位点的 Kac 降低，这与小鼠心肌肥大有关。此外，特定的 Kac 修饰调节酶在 DbCM 中也发挥着重要作用，如通过相关实验证明，向糖尿病 db/db 小鼠颈静脉注射过表达 SIRT3 的腺病毒，可显著降低心脏组织中 p53 的 Kac 水平和 TIGAR 的表达，有效改善 DbCM 的病理状况；还有研究报道，HDAC4 基因敲除会导致 1 型和 2 型糖尿病小鼠模型出现心力衰竭。

糖尿病心肌病中的新型蛋白质翻译后修饰

1. 乳酸化：乳酸化（Kla）于 2019 年被发现，糖酵解产生的乳酸作为酰基供体。在 DbCM 状态下，乳酸是维持心脏能量供应的替代能源。糖酵解过程中，葡萄糖经一系列酶促反应代谢为丙酮酸，同时产生 NADH 和乳酸。研究表明，DbCM 患者外周血中乳酸浓度显著升高，且与心脏舒张功能障碍密切相关。在心肌中，乳酸在酰基辅酶 A 合成酶（如 ACSS2）的作用下利用乙酰辅酶 A 形成乳酰辅酶 A，随后乳酰辅酶 A 在特定的酰基写入酶作用下进行 Kla 修饰，参与心肌功能的负向调节。催化 Kla 修饰的酶包括 P300/CBP、GCN5 和 HBO1 等，它们负责将乳酰辅酶 A 共价连接到蛋白质特定的赖氨酸残基上；而擦除酶（如 HDAC1 - 3 和 SIRT1 - 3）则负责去除蛋白质上的 Kla 修饰，恢复蛋白质的原始状态，精确调节修饰水平。这些写入酶和擦除酶不仅参与 Kla 的形成，还能催化其他酰化修饰，体现了其在蛋白质翻译后修饰中的多功能性。Kla 在葡萄糖代谢和表观遗传调控之间起着关键的桥梁作用。在 DbCM 小鼠中，MCT4 的异常上调导致心肌细胞中乳酸过度排泄，进而引起巨噬细胞中组蛋白 H4K12 的乳酸化，对心肌细胞造成一系列炎症损伤，表明 Kla 可能与心肌细胞的有害微环境有关。体外实验结果显示，外源性乳酸可通过增强心肌细胞中组蛋白 H3K18 乳酸化修饰水平促进心脏病理性肥大，使用糖酵解和 LDH 抑制剂降低心肌细胞中组蛋白乳酸化修饰水平可有效抑制心脏肥大的进展，这为逆转 DbCM 中的心室重构提供了一种新的靶向干预策略。此外，在心力衰竭小鼠心脏研究中发现，正常生理条件下，α - 肌球蛋白重链（α - MHC）的尾部与肌球蛋白结合形成粗肌丝，维持心脏正常结构和收缩功能至关重要；而在心力衰竭时，α - MHC 的 K1897 位点的 Kla 水平显著降低，破坏了粗肌丝的稳定性，加剧了心力衰竭症状。但这种现象与心肌细胞膜上相应乳酸转运受体的表达和定位之间的关系仍需进一步研究。因此，观察糖尿病心肌病进展至心力衰竭过程中心肌细胞中乳酸水平和乳酸化修饰的动态变化，对于深入理解乳酸化修饰在 DbCM 进展中的调节作用至关重要。
2. β - 羟基丁酰化：β -HB 主要在肝脏合成，肾脏和肠道也有少量产生，目前心脏是否能合成酮体尚不明确。在糖尿病病理状态下，脂肪酸通过 β - 氧化转化为乙酰辅酶 A，后者在肝脏酮体合成酶系统的作用下进一步转化为 β -HB，随后 β -HB 经血液循环运输至心肌细胞。在心肌细胞内，β -HB 可通过 TCA 循环进行氧化磷酸化，释放能量满足心肌能量需求。此外，β -HB 不仅是心肌的额外能量来源，还具有强大的抗氧化作用，可减轻氧化应激对心肌细胞的损伤。近年来，β -HB 参与 DbCM 心脏的蛋白质翻译后修饰，尤其是 β - 羟基丁酰化（Kbhb）受到关注，β -HB 的辅酶 A 活性形式是 Kbhb 的前体。Kbhb 的调节机制复杂，涉及多种酶的协同作用。酰基转移酶 P300/CBP 作为写入酶，催化 β - 羟基丁酰辅酶 A 与赖氨酸残基共价结合形成 Kbhb，这一过程对基因表达、细胞代谢和信号转导等多种生物学活动的调节至关重要。同时，组蛋白去乙酰化酶 HDAC1 和 HDAC2 作为擦除酶，负责去除 Kbhb 修饰，维持细胞内修饰水平的稳态。这些与 Kbhb 修饰相关的调节酶的发现，为深入理解其生物学功能提供了新的视角。目前对 Kbhb 在 DbCM 中的研究仍处于早期阶段。近期一项利用液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）的蛋白质组学研究，成功鉴定了高糖高脂饮食联合 STZ 诱导的 DbCM 大鼠心脏组织中 Kbhb 修饰表达的差异。定量分析显示，在 DbCM 大鼠心脏的 47 种蛋白质中，有 284 个 Kbhb 修饰位点上调，52 个下调。生物信息学分析进一步表明，Kbhb 修饰的蛋白质参与多种能量代谢途径，包括 TCA 循环、氧化磷酸化和丙酸代谢，提示 Kbhb 可能通过影响心肌能量代谢状态在 DbCM 进展中发挥调节作用。另外，对禁食小鼠肝脏中 Kbhb 的蛋白质组学分析显示，Kbhb 修饰的蛋白质在脂肪酸 β - 氧化、TCA 循环和 ATP 代谢中显著富集，说明 Kbhb 可能参与调节 ATP 合成，进而参与 DCM 心肌细胞的能量代谢紊乱过程。然而，Kbhb 调节心肌能量代谢的潜在机制仍需进一步研究探索。内皮功能障碍常被视为糖尿病相关血管并发症的早期病理特征，糖尿病高血糖可能通过激活氧化应激、炎症反应和晚期糖基化终产物（AGEs）的形成损害 DbCM 患者的心血管内皮功能。研究表明，向 STZ 诱导的 2 型糖尿病 SD 大鼠中补充外源性 β -HB，可剂量依赖性地上调大鼠心脏中组蛋白 H3K9bhb 的修饰水平，导致血管内皮生长因子（VEGF）表达增加，进而改善 DbCM 心脏的主动脉内皮损伤。有趣的是，该研究发现中等浓度的 β -HB 对血管内皮的修复效果最为明显，表明不同浓度的 β -HB 诱导的 Kbhb 修饰可能对改善 DbCM 血管内皮损伤具有独特的作用或机制。
3. 琥珀酰化：琥珀酰辅酶 A 是 TCA 循环中的关键中间产物，在心肌能量代谢的复杂网络中发挥着重要作用。它由 α - 酮戊二酸在 α - 酮戊二酸脱氢酶复合体的作用下脱羧，与辅酶 A 结合形成。在 TCA 循环代谢框架内，琥珀酰辅酶 A 在琥珀酰硫激酶的催化下，水解其硫酯键，释放自由能用于合成 GTP，这是琥珀酰辅酶 A 的主要消耗途径。无论是否有酶的作用，琥珀酰辅酶 A 都可以将琥珀酰基团转移到细胞蛋白质的赖氨酸残基上，实现琥珀酰化（Ksucc）。代谢组学研究表明，琥珀酰辅酶 A 是小鼠心脏中含量最丰富的短链酰基辅酶 A，Ksucc 在这个高耗能器官中尤为明显，显示出其在心脏功能调节中的潜在重要性。Ksucc 的调节机制是一个复杂的过程，涉及多种类型的酶。其中，写入酶（如 P300/CBP、GCN5 和 KAT2）主要负责催化 Ksucc，这一过程会导致蛋白质功能和结构发生显著变化；擦除酶（包括 SIRT1、SIRT2 和 SIRT5）则去除琥珀酰基团，使蛋白质恢复到原始状态，调节细胞内不同生物学过程之间的平衡。然而，目前对 Ksucc 调节机制中直接读取酶的研究相对较少，现有文献和实验数据有限，这阻碍了对该领域的全面理解。在糖尿病状态下，心肌细胞内能量底物（如葡萄糖）的代谢异常可导致 TCA 循环中间产物积累，尤其是琥珀酰辅酶 A。高水平的琥珀酰辅酶 A 促进蛋白质的 Ksucc 修饰，可能影响心肌细胞中某些关键代谢酶和信号分子的活性和定位。近年来，随着对 Ksucc 研究的广泛开展，其在 DbCM 发生和发展中的作用逐渐得到认可。例如，一项整合了广泛靶向代谢组学、4D 蛋白质组学和 Ksucc 组学的研究发现，在 DbCM 心力衰竭小鼠模型中，SIRT5 表达显著降低，导致肉碱棕榈酰转移酶 2（CPT2）的 Ksucc 大量增加，进而导致心肌脂质积累和脂质毒性增加。因此，SIRT5 介导的 Ksucc 可能是治疗 DbCM 的潜在靶点，研究 SIRT5 激活剂（如白藜芦醇等）对 DbCM 和其他与脂肪沉积相关的代谢疾病的治疗效果，以及确定 Ksucc 是否为潜在机制具有重要的临床意义。但需要注意的是，该研究基于 db/db 小鼠模型，该模型存在严重的代谢紊乱和基因变异，因此需要使用更多的 DbCM 动物模型进行进一步验证。
4. 丙二酰化：2011 年，研究人员利用特异性丙二酰化抗体和 LC - MS/MS 首次在大肠杆菌和 HeLa 细胞的蛋白质中鉴定出丙二酰化（Kma）。丙二酰辅酶 A 是脂肪酸合成和 β - 氧化中不可或缺的中间代谢产物。在心肌细胞中，丙二酰辅酶 A 由乙酰辅酶 A 羧化酶（ACC）产生，ACC 受多种激素和营养信号的调节。例如，当血糖水平升高时，AMP 激活的蛋白激酶（AMPK）去磷酸化，抑制其对 ACC 的磷酸化，从而激活 ACC，促进丙二酰辅酶 A 的合成。生成的丙二酰辅酶 A 随后被转运到细胞内的不同区域，参与各种代谢途径。在脂肪酸 β - 氧化过程中，丙二酰辅酶 A 作为负调节剂，可通过抑制肉碱棕榈酰转移酶 - 1（CPT - 1）的活性，降低脂肪酸进入线粒体进行 β - 氧化的速率，从而调节心肌细胞的能量供应。近年来，大量研究表明 Kma 与 DbCM 的发生和发展密切相关。研究人员观察到 DbCM 患者血清丙二酰辅酶 A 水平显著升高，这可能与心肌胰岛素抵抗、高血糖和脂肪酸代谢异常有关。SIRT5 是目前已知的少数 Kma 去修饰酶之一。2023 年，Can Wei 等人发现，在高糖刺激的小鼠原代心肌细胞中敲除 SIRT5，会导致谷胱甘肽 S - 转移酶 P1（GSTP1）蛋白的 Kma 显著增加，进而促进心肌细胞线粒体功能障碍、细胞焦亡和 DNA 损伤；相反，过表达 SIRT5 可减轻与 DbCM 相关的心肌损伤。但该研究存在一些局限性，如仅采用蛋白质免疫印迹法进行检测，未使用质谱或其他方法全面评估心肌细胞中所有蛋白质的 Kma 水平变化；实验中使用的野生型小鼠与 SIRT5 基因敲除小鼠来源不同，在一定程度上削弱了研究结论的说服力。其他研究表明，槲皮素（一种存在于多种药用植物中的成分）可通过 SIRT5 促进异柠檬酸脱氢酶 2（IDH2）的去琥珀酰化，有助于维持小鼠心肌细胞线粒体稳态，改善心肌炎症和纤维化，最终降低由 DbCM 和其他相关疾病引起的心力衰竭的发生率。对心肌肥大小鼠模型的丙二酰化蛋白质组分析表明，丙二酰化蛋白质富集与心脏结构、收缩功能、cGMP - PKG 信号通路和多种代谢过程显著相关。鉴于在 DbCM 心力衰竭进展过程中心脏也会出现肥大，Kma 可能是增强 DbCM 心脏重塑的有前景的治疗靶点。
5. 棕榈酰化：蛋白质的棕榈酰化是一种蛋白质翻译后修饰，棕榈酸或棕榈酰辅酶 A 作为酰基供体。棕榈酸是一种 16 碳饱和脂肪酸，是心肌细胞脂质代谢的关键产物，可通过饮食摄入或内源性合成获得。在 β - 氧化过程中，棕榈酸在心肌细胞线粒体内最初转化为棕榈酰辅酶 A，随后棕榈酰辅酶 A 经过一系列酶促反应逐渐降解为短链脂肪酰基辅酶 A 片段，这些片段进入 TCA 循环，最终产生乙酰辅酶 A、NADH、FADH₂和少量 ATP，为心肌细胞提供能量。负责棕榈酰化的酶，尤其是 DHHC 家族蛋白，可帮助将棕榈酰基团添加到蛋白质的半胱氨酸残基上；而擦除酶（如 APT1）则从这些蛋白质分子上去除棕榈酰基团。心肌细胞中这些酶的表达和活性受到严格调控，以维持棕榈酰化稳态。近年来，越来越多的研究表明，棕榈酰化修饰可能通过影响心肌细胞的脂质代谢、胰岛素分泌和相关信号转