靶向心肌细胞中的PCNA和POLD1可防止病理性心肌肥厚

《Circulation Research》：Targeting Cardiomyocyte PCNA and POLD1 Prevents Pathological Myocardial Hypertrophy

DNA合成途径调控心肌肥厚：p21通过抑制PCNA-POLD1相互作用减少病理心肌增殖

　　在这项研究中，科学家们探讨了心肌细胞在病理状态下生长过程中，DNA合成通路是否扮演着直接调控角色。研究者通过一系列实验，揭示了p21蛋白在心脏肥大过程中的关键作用，以及它如何通过影响PCNA与POLD1的相互作用来抑制心肌细胞的DNA合成和肥大。这项研究不仅深化了我们对心脏肥大机制的理解，还为开发治疗策略提供了新的视角。

心肌细胞的肥大通常与心脏功能的异常和心力衰竭的风险增加有关。在病理条件下，心肌细胞不仅会经历基因表达、信号传导和代谢的变化，还会出现DNA合成和端复制（endoreplication）的增加。端复制是指细胞在完成DNA复制后不进行细胞分裂，导致细胞内DNA含量增加，细胞多核化和多倍体化。这种现象在多种生物体中存在，可能在正常发育和保护细胞免受病理压力方面发挥作用。然而，关于端复制是否直接导致心肌细胞肥大，以及调控这一过程的机制，之前的研究并未明确。

研究人员利用了两种不同的小鼠模型来研究这一问题：一种是由于Mybpc3基因缺失引起的肥大心肌病模型，另一种是由于Myh6基因突变（R404Q）导致的肥大心肌模型。此外，还使用了主动脉缩窄（transverse aortic constriction, TAC）模型来模拟压力过载导致的心肌肥大。通过这些模型，研究者发现，在心脏肥大早期阶段，p21蛋白的表达水平显著上升，且其表达水平与心肌细胞DNA合成和肥大之间存在负相关。这表明p21可能在调控心肌细胞肥大过程中起到抑制作用。

为了进一步验证这一假设，研究者对p21表达水平进行了基因层面的调控，包括通过转基因小鼠模型和病毒载体传递方法。结果显示，当p21表达被减少时，心肌细胞的DNA合成和肥大显著增加；而当p21被过表达时，这些现象则被抑制。这一发现支持了p21作为心肌细胞端复制通路的负调控因子的假设。此外，研究者还发现，p21能够与PCNA（增殖细胞核抗原）结合，从而减少PCNA与关键DNA合成酶POLD1的相互作用。这种结合直接抑制了心肌细胞的DNA合成，进而减缓了心肌细胞的肥大过程。在人类诱导多能干细胞来源的心肌细胞中，研究者同样观察到了类似的结果，进一步验证了该通路在不同物种中的保守性。

研究还涉及对p21-PCNA-POLD1通路的深入分析，揭示了其在心脏肥大过程中的分子机制。在心肌细胞肥大过程中，p21与PCNA的结合导致PCNA无法有效地与POLD1相互作用，从而减少了DNA合成和细胞肥大。这一发现不仅加深了我们对心肌细胞肥大机制的理解，还为治疗心脏肥大提供了新的靶点。通过靶向这一通路，研究者在小鼠模型中成功减少了长期的心肌肥大和改善了左心室的舒张功能，这为未来的心脏病治疗策略提供了重要的依据。

在人类心肌细胞模型中，研究者通过抑制p21表达或增加其表达，进一步验证了p21在调控DNA合成和心肌细胞肥大中的作用。研究显示，抑制p21会导致心肌细胞肥大和DNA合成增加，而增加p21表达则能有效抑制这些现象。这表明p21在人类心肌细胞中同样发挥着关键的调控作用，从而为将这些发现应用于临床提供了可能性。

研究还探讨了p21与PCNA的相互作用如何影响心肌细胞的端复制和肥大。PCNA是DNA合成过程中的关键蛋白，它与POLD1的结合对于维持DNA复制的顺利进行至关重要。当p21与PCNA结合时，这种相互作用被削弱，从而减少了DNA合成的效率。研究者通过使用化学抑制剂和基因表达调控技术，证实了这一机制在不同模型中的有效性。此外，研究还表明，p21在心脏肥大早期阶段的表达增加可能与DNA损伤有关，这种损伤可能源于复制压力，而不仅仅是细胞老化或基因突变。

研究结果还揭示了p21在心脏肥大和细胞老化之间的复杂关系。尽管p21通常被视为细胞衰老的标志，但在本研究中，其表达的增加更多地与DNA合成和端复制相关，而不是直接的细胞衰老。研究者通过比较不同模型中p21的表达和功能，发现p21在不同情况下可能具有不同的作用机制。例如，在一些模型中，p21的增加与细胞周期抑制相关，而在其他模型中，其作用则更偏向于调控DNA合成和细胞肥大。

此外，研究还探讨了压力过载模型中p21-PCNA-POLD1通路的激活情况。结果显示，在压力过载早期阶段，p21和PCNA的相互作用显著增加，这可能预示着心肌细胞肥大的启动。通过在这些模型中调控p21的表达，研究者进一步验证了该通路在心脏肥大中的作用。这些发现不仅加深了我们对心脏肥大机制的理解，还为开发新的治疗方法提供了理论支持。

总的来说，这项研究揭示了p21在心脏肥大中的关键作用，以及其通过调控PCNA-POLD1相互作用来抑制DNA合成和端复制的机制。这些发现对于理解心脏肥大的分子基础和开发针对这一过程的治疗策略具有重要意义。研究还强调了不同模型和不同刺激条件下，p21的作用可能存在差异，因此未来的研究需要进一步探索其在不同疾病状态下的具体调控机制。此外，研究还表明，通过基因治疗等手段靶向p21-PCNA-POLD1通路可能为心脏肥大的治疗提供新的方向。