心肌细胞源性USP13通过去泛素化稳定STAT1保护雄性小鼠心脏免受肥厚损伤

本研究针对病理性心脏肥厚导致心功能衰竭这一临床难题，发现心肌细胞特异性去泛素化酶USP13通过靶向STAT1发挥心脏保护作用。研究人员通过单细胞测序、互作组学等技术，首次揭示USP13通过去除STAT1的K48连接型泛素化修饰（K379位点），增强STAT1介导的Nppb基因转录和线粒体功能，为心脏肥厚治疗提供了新的靶向干预策略。该成果发表于《Nature Communications》，为开发基于USP13-STAT1轴的心脏特异性基因疗法奠定理论基础。

　　

心脏作为人体最重要的动力器官，其结构和功能的异常会导致严重后果。病理性心脏肥厚是心力衰竭的主要前兆，表现为心肌细胞体积增大、胎儿基因重新表达和间质纤维化。尽管现有临床治疗手段能部分缓解症状，但疗效仍然有限。近年来，蛋白质翻译后修饰（PTMs）尤其是泛素-蛋白酶体系统（UPS）的调控作用成为研究热点。去泛素化酶（DUBs）作为UPS的关键组分，通过去除底物蛋白的泛素链维持其稳定性，但心肌细胞特异性DUBs在心脏肥厚中的作用机制尚不明确。

来自温州医科大学的研究团队在《Nature Communications》发表最新成果，通过整合转录组学、单细胞测序和基因编辑技术，系统揭示了心肌细胞源性USP13（Ubiquitin-specific peptidase 13）通过稳定信号转导和转录激活因子1（STAT1）抵抗心脏肥厚的分子机制。研究采用心肌细胞特异性USP13敲除（USP13cKO）小鼠和腺相关病毒（AAV9）介导的过表达模型，结合互作组学、泛素化修饰组学和染色质免疫共沉淀测序（CUT&Tag）等技术，阐明了USP13-STAT1调控轴在心脏保护中的核心作用。

关键技术方法包括：1）建立主动脉弓缩窄术（TAC）和血管紧张素II（Ang II）诱导的小鼠心脏肥厚模型；2）利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）解析USP13的细胞特异性表达；3）通过互作组学（interactome）和泛素化修饰组学（ubiquitylome）鉴定USP13-STAT1相互作用及关键修饰位点；4）采用AAV9-cTNT载体实现心肌细胞特异性基因操作；5）综合应用线粒体功能检测和电镜观察评估心肌能量代谢。

研究结果部分：
"Identification of cardiomyocyte-derived USP13 as a vital factor in cardiac hypertrophy"：通过分析多个转录组数据集和实验验证，发现USP13在肥厚心肌组织中显著上调，且主要分布于心肌细胞（尤其是病理性肥厚心肌细胞亚群）。免疫荧光显示USP13与α-actinin共定位，证实其心肌细胞特异性表达模式。

"Cardiomyocyte-specific Usp13 knockout aggravates cardiac hypertrophy challenged by TAC"：心肌细胞特异性敲除USP13显著加重TAC诱导的心功能不全（射血分数EF下降28.6%）和心肌肥厚（心肌细胞横截面积增加45.3%），伴随纤维化程度加重和血清ANP水平升高。

"USP13 directly binds STAT1 and maintains the stability of STAT1"：互作组学筛选出STAT1作为USP13的关键底物。USP13通过其催化结构域C343位点去除STAT1的K48连接型泛素化链，延缓STAT1蛋白降解（半衰期延长2.1倍），而K379R突变可阻断这一效应。

"USP13 promotes the nuclear translocation of STAT1"：CUT&Tag测序显示USP13过表达使STAT1在基因启动子区的结合增加18.7%，特别是Nppb基因启动子区（-912~-927bp）。荧光素酶报告基因证实STAT1直接激活Nppb转录，这一效应被USP13抑制剂Spautin-1阻断。

"USP13 improves mitochondria function"：USP13通过增加线粒体STAT1水平，改善复合体I活性（提升62.4%）和ATP合成（增加55.8%）。电镜观察显示USP13敲除加重线粒体超微结构损伤。

"Cardiomyocyte-specific overexpression of USP13 ameliorates established cardiac dysfunction"：AAV9介导的USP13过表达可逆转已建立的心肌肥厚（EF提高34.2%），而STAT1敲除则消除USP13的保护作用，证实STAT1是USP13发挥功能的关键介质。

该研究首次阐明心肌细胞特异性USP13-STAT1调控轴在抵抗心脏肥厚中的核心作用，创新性地发现：1）USP13通过去泛素化STAT1的K379位点维持其稳定性；2）USP13增强STAT1介导的Nppb转录和BNP分泌；3）USP13-STAT1轴改善线粒体能量代谢。这些发现不仅深化了对DUBs在心血管疾病中作用机制的理解，更重要的是为开发心脏特异性基因治疗策略提供了新靶点。研究者提出的AAV9-USP13治疗方案具有转化潜力，其通过精确靶向心肌细胞避免全身性副作用，为临床治疗心脏肥厚提供了新思路。该成果被选为《Nature Communications》重点推荐论文，标志着我国在心血管基础研究领域取得重要突破。