心肌成纤维细胞丙酮酸激酶剪接变体PKM2→PKM1转换改善雄性小鼠心肌梗死后心脏重构

推荐：本研究针对心肌梗死后心脏重构的代谢调控机制，聚焦成纤维细胞中磷酸烯醇丙酮酸(PEP)循环关键酶PKM2/PCK2的作用。通过构建成纤维细胞特异性PKM2→PKM1剪接变体转换(fbPkm2→1)小鼠模型，结合稳定同位素代谢组学和转录组分析，发现PKM1表达可增强肌成纤维细胞收缩力、提升线粒体呼吸能力，显著改善雄性小鼠心室扩张和射血分数，为靶向代谢干预心脏重构提供新策略。

　　

心肌梗死后的心脏重构是心力衰竭发生发展的关键病理过程，其中成纤维细胞通过分泌细胞外基质(ECM)和介导瘢痕形成发挥核心作用。尽管已知代谢重编程对成纤维细胞活化至关重要，但磷酸烯醇丙酮酸(PEP)循环中关键酶——丙酮酸激酶肌肉亚型2(PKM2)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶2(PCK2)的调控机制尚不明确。既往研究表明，PKM2在应激心脏中表达升高且酶活性低于PKM1，可能通过减缓PEP向丙酮酸的转化来维持糖酵解中间产物池，为ECM合成提供前体。然而，这种代谢调控是否直接影响心脏修复仍缺乏直接证据。

美国路易斯维尔大学的研究团队在《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》发表的研究中，通过构建成纤维细胞特异性PKM2→PKM1剪接变体转换(fbPkm2→1)小鼠模型，结合多组学分析，系统揭示了PKM亚型对心肌梗死后重构的调控作用。研究发现，虽然PCK2缺失不影响心脏重构，但fbPkm2→1转换能显著改善雄性小鼠心室扩张、室壁变薄和射血分数下降，并减轻肺充血。值得注意的是，这种保护作用与纤维化程度无关，而是源于PKM1表达增强的肌成纤维细胞收缩功能和线粒体呼吸能力。

研究采用的主要技术包括：(1)成纤维细胞特异性Cre-loxP基因编辑构建fbPkm2→1小鼠模型；(2)永久性冠状动脉结扎术建立心肌梗死模型；(3)稳定同位素¹³C₆-葡萄糖示踪代谢流分析；(4)第二谐波成像(SHG)定量胶原纤维结构；(5)高通量液相色谱-质谱联用(LC-MS)代谢组学；(6)细胞外通量分析仪检测线粒体呼吸功能；(7)多重细胞因子阵列检测分泌蛋白谱；(8)RNA测序解析转录组变化。

PKM2在非心肌细胞中特异性表达

免疫荧光和免疫印迹分析显示，PKM2在正常心脏中主要表达于成纤维细胞、内皮细胞和平滑肌细胞间质，而PKM1则富集于心肌细胞。心肌梗死后5天，心脏PKM2表达显著增加，且免疫定位显示其富集于纤维化区域，提示PKM2可能参与修复过程。

fbPkm2→1剪接变体转换改善心脏功能

通过Col1a2-Cre^ERT介导的成纤维细胞特异性基因编辑，研究发现fbPkm2→1转换使雄性小鼠在心肌梗死后4周表现出显著改善的心脏结构和功能：左室舒张末期容积减少28%，射血分数提高35%，肺湿重/干重比降低19%。值得注意的是，这种保护效应具有性别特异性，在雌性小鼠中未观察到显著差异。

PCK2与PEP循环的非必要性

尽管PCK2在成纤维细胞中高表达且心肌梗死后上调，但全身性Pck2敲除小鼠未显示心脏重构或纤维化程度的改变。体外实验进一步证实，PCK2缺失不影响成纤维细胞增殖、分化或代谢活性，表明PEP循环在心脏修复中可能非必需。

PKM亚型转换不改变纤维化特征

通过天狼星红染色和SHG成像定量分析发现，fbPkm2→1转换既不影响瘢痕区胶原含量，也不改变胶原纤维的排列方式、平直度或宽度。这与体外实验结果一致：PKM1表达虽增加糖酵解中间产物(如3-磷酸甘油酸、磷酸烯醇丙酮酸)的丰度，但不改变胶原分泌或肌成纤维细胞分化标志物(α-SMA、骨膜蛋白)的表达。

PKM1增强肌成纤维细胞收缩功能

三维胶原凝胶收缩实验揭示关键发现：尽管PKM亚型转换不改变分化标志物，但TGFβ刺激的PKM1表达成纤维细胞表现出更强的收缩能力，凝胶表面积减少达42%。这种功能变化可能与PKM1介导的线粒体呼吸增强有关——PKM1使最大耗氧率(OCR)和储备呼吸能力分别提升25%和31%。

代谢重编程特征分析

¹³C₆-葡萄糖示踪显示，PKM1表达使TGFβ激活的成纤维细胞中糖酵解中间产物池扩大1.5-2倍，但葡萄糖碳流向甘氨酸合成的比例不足10%。值得注意的是，己糖胺生物合成途径(UDP-HexNAc)和戊糖磷酸途径(核糖-5-磷酸)的¹³C标记显著增强，提示PKM1可能通过调控这些旁路代谢支持ECM修饰。

研究结论部分强调，这是首次揭示成纤维细胞PKM剪接变体通过非纤维化依赖机制改善心脏重构。PKM1通过增强肌成纤维细胞收缩力和线粒体功能，而非改变ECM沉积，为心肌梗死治疗提供了新的代谢干预靶点。特别值得注意的是，PKM2→PKM1转换产生的保护效应出现在瘢痕形成后阶段(4周而非1周)，暗示其可能适用于临床慢性期干预。该研究不仅拓展了对心脏修复代谢调控的认识，也为开发性别特异性的精准治疗策略奠定基础。