心肌细胞富集的去泛素化酶OTUD5通过去泛素化STAT3并调控STAT3–PGC-1α轴缓解病理性心肌肥厚

《EXPERIMENTAL AND MOLECULAR MEDICINE》：Cardiomyocyte-enriched OTUD5 alleviates pathological myocardial hypertrophy by deubiquitinating STAT3 and modulating the STAT3–PGC-1α axis

　　

病理性心脏肥厚构成了一个重要的公共卫生挑战，尤其是在老龄化人群中，凸显了寻找新型治疗靶点的迫切需求。本研究探讨了OTUD5在病理性心脏肥厚中的作用及其分子机制。在肥厚心脏的心肌细胞中，OTUD5的表达显著增加。敲除心肌细胞特异性的OTUD5会加剧由血管紧张素II（Ang II）和主动脉缩窄术（TAC）诱导的心肌肥厚。相反，在心肌细胞中靶向过表达OTUD5则可减轻Ang II诱导的病理性肥厚。在机制上，研究人员证明OTUD5通过其C224残基去除STAT3上赖氨酸283（K283）位点的K63连接泛素链，从而调控STAT3的活性。这一过程抑制了STAT3的磷酸化和核转位，有效解除了其对PGC1α的转录抑制，并增强了心肌细胞内的线粒体功能。该研究揭示了一个新的OTUD5–STAT3–PGC1α轴，该轴调节线粒体生物能量学，提示其可作为病理性心脏肥厚的潜在治疗靶点。

论文解读文章

研究背景与科学问题

病理性心肌肥厚是心脏在长期压力超负荷（如高血压、主动脉瓣狭窄）或神经体液因子（如血管紧张素II，Ang II）刺激下产生的一种代偿性反应，表现为心肌细胞体积增大而非数量增多。随着社会老龄化加速，病理性心肌肥厚及其导致的心力衰竭已成为严重影响公共健康的独立危险因素，心血管疾病发病率和死亡率随之升高。因此，阐明心肌肥厚的关键蛋白精确调控机制，特别是翻译后修饰如泛素化调控，对于理解其发病机制至关重要。

去泛素化酶OTUD5属于卵巢肿瘤（OTU）家族，能特异性识别并切割K48和K63连接的泛素链，从而精确调控底物蛋白的稳定性和功能。已有研究表明OTUD5在DNA损伤修复、免疫调节、炎症反应及细胞死亡中发挥重要作用。尤其在心血管系统中，OTUD5在心肌缺血再灌注损伤中通过与谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）结合发挥心脏保护作用。然而，OTUD5在慢性应激导致的病理性心肌肥厚中的作用尚不清楚。基于此，研究人员利用心肌细胞特异性Otud5基因敲除小鼠模型，旨在解析OTUD5在病理性心肌肥厚中的功能及其调控机制。

主要技术方法

为探究上述问题，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   构建心肌细胞特异性Otud5基因敲除（OTUD5CKO）小鼠模型，并与对照小鼠分别建立Ang II皮下微泵输注和主动脉缩窄术（TAC）两种病理性心肌肥厚模型。
2. 2.
   利用超声心动图评估心功能，并结合组织病理学染色（H&E、WGA、Masson三色、天狼星红）评估心肌肥厚和纤维化程度。
3. 3.
   采用免疫共沉淀（Co-IP）联合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）筛选OTUD5的互作蛋白和潜在底物。
4. 4.
   应用靶向切割与标记（CUT&Tag）技术检测转录因子STAT3与靶基因启动子区的结合情况。
5. 5.
   通过Seahorse XFe96分析仪测量细胞耗氧率（OCR）评估线粒体呼吸功能。

研究结果

1. 心肌细胞OTUD5负向调控Ang II诱导的心脏肥厚与功能障碍

研究发现，在Ang II或TAC处理的小鼠心脏组织中，OTUD5的mRNA和蛋白水平均显著上调。在人心肌肥厚样本中也观察到类似现象。免疫荧光显示，增加的OTUD5主要定位于α-肌动蛋白阳性的心肌细胞。体外实验证实，敲低OTUD5加重了Ang II诱导的心肌细胞面积增大，而过表达OTUD5则减轻了这一表型。这表明OTUD5在心肌肥厚中可能作为一种保护性因子被上调。

2. 心肌细胞特异性OTUD5缺失加剧Ang II和TAC诱导的心脏肥厚与功能障碍

通过构建OTUD5CKO小鼠并进行Ang II或TAC处理，发现与对照组相比，OTUD5CKO小鼠的心脏肥厚更严重，表现为左心室壁增厚、射血分数和短轴缩短率降低、心脏重量与体重比增加。组织学分析进一步证实，OTUD5缺失加剧了心肌细胞横截面积增大、心肌纤维化以及肥厚标志物MyHC和ANP的表达。反之，通过AAV9介导的心肌细胞特异性过表达OTUD5则有效改善了Ang II诱导的心脏重构和功能障碍。

3. OTUD5与STAT3结合并在K283位点对其进行去泛素化

通过Co-IP结合LC-MS/MS筛选，研究人员鉴定出STAT3是OTUD5在心肌细胞中的一个重要相互作用蛋白。外源和内源性Co-IP实验均验证了二者的结合。进一步研究发现，OTUD5主要通过去除STAT3上的K63连接泛素链来发挥作用，而不影响其K48连接泛素化或蛋白稳定性。利用失活突变体C224S证实，OTUD5的去泛素化酶活性依赖于其催化位点C224。通过泛素化肽段富集分析，确定了K283是OTUD5介导STAT3去泛素化的主要位点。

4. OTUD5通过抑制STAT3活化负向调控心肌细胞肥厚

研究显示，敲低OTUD5会加剧Ang II诱导的STAT3在Tyr705位点的磷酸化（p-STAT3^Y705）和核转位，而过表达OTUD5则抑制这些过程。机制上，OTUD5通过去泛素化STAT3的K283位点，减弱了STAT3与上游激酶JAK2的结合，从而抑制STAT3的磷酸化和活化。STAT3的K283R突变体能够阻断OTUD5对STAT3-JAK2相互作用的调控。功能实验表明，沉默STAT3不仅减轻了Ang II诱导的肥厚，还消除了OTUD5过表达带来的保护效应。

5. OTUD5–STAT3轴通过调控PGC1α介导的线粒体功能障碍促进心脏肥厚

RNA测序结果显示，在TAC处理的OTUD5CKO小鼠心脏中，线粒体生物合成和能量代谢的主调控因子PGC1α显著下调。体内外实验均证实，OTUD5正向调控PGC1α的表达。CUT&Tag实验表明，OTUD5通过抑制STAT3的转录抑制活性，从而解除STAT3对Pgc1α基因的转录阻遏。线粒体功能分析显示，过表达OTUD5可改善Ang II诱导的线粒体氧化磷酸化障碍，而沉默STAT3则完全消除了OTUD5的这种保护作用。

6. OTUD5在体内通过STAT3保护心脏免受Ang II诱导的功能障碍

在OTUD5CKO小鼠中，通过AAV9恢复OTUD5表达或口服STAT3特异性抑制剂Stattic，均可显著改善Ang II诱导的心脏功能下降和心肌肥厚。然而，在Stattic处理的基础上再过表达OTUD5并未带来额外获益，这证实了OTUD5的心脏保护作用是通过抑制STAT3实现的。

讨论与结论

本研究首次揭示了心肌细胞富集的去泛素化酶OTUD5在病理性心肌肥厚中的保护作用及其分子机制。研究人员发现，OTUD5通过其催化残基C224，特异性去除STAT3蛋白DNA结合域内K283位点的K63连接泛素链。这一去泛素化事件改变了STAT3的构象，削弱了其与上游激酶JAK2的结合，进而抑制STAT3的磷酸化和核转位。被抑制的STAT3解除了对下游靶基因PGC1α的转录抑制作用，最终恢复了心肌细胞的线粒体功能和生物能量学，从而缓解了病理性心肌肥厚。

该研究确立了一个全新的OTUD5–STAT3–PGC1α调控轴，为理解心肌肥厚中线粒体功能障碍的分子机制提供了新视角。与以往发现的调控STAT3稳定性的去泛素化酶不同，OTUD5特异性地调控STAT3的活性而非稳定性，且其作用位点K283位于DNA结合域，可能通过变构机制影响JAK2-STAT3相互作用，这在机制上具有独特性。该研究提示，开发靶向OTUD5 C224活性位点的小分子激动剂或分子胶，增强其内源性活性，可能成为治疗病理性心肌肥厚的新策略。

研究结论： 本项研究揭示了心肌细胞OTUD5在病理性心肌肥厚中的保护作用，并阐明了其潜在机制。研究人员建立了一个将去泛素化、STAT3转录调控、PGC1α表达和线粒体生物能量学联系起来的完整分子级联反应。这项研究有望为开发治疗病理性心肌肥厚的干预策略提供潜在的靶点。