乳酸驱动蛋白乳酰化经损害线粒体自噬并激活TGF-β1促进糖尿病心肌纤维化

《Scientific Reports》：Lactylation-driven mitochondrial dysfunction promotes diabetic myocardial fibrosis via impairing mitophagy and activating TGF-β1

　　

本研究旨在探讨乳酸衍生的蛋白乳酰化在糖尿病心肌病（DCM）心肌纤维化中的作用及机制。研究人员假设乳酰化通过双重途径促进纤维化：损害PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，以及表观遗传激活TGF-β1促纤维化轴。临床分析纳入80例伴纤维化的2型糖尿病（T2DM）患者及40例无纤维化的T2DM对照。实验模型包括链脲佐菌素（Streptozotocin）诱导的糖尿病小鼠及暴露于高糖/乳酸的原代心脏成纤维细胞。分子机制通过免疫共沉淀（co-immunoprecipitation）、乳酰化特异性检测、siRNA敲低及乳酸脱氢酶A（LDHA）药理学抑制剂GSK2837808A加以研究。纤维化、线粒体功能及线粒体自噬通过组织学、羟脯氨酸检测、蛋白质印迹（Western blot）、ATP/ROS检测及超声心动图评估。伴纤维化的T2DM患者血清乳酸升高。糖尿病小鼠心肌乳酸增加，PINK1/Parkin线粒体自噬受抑，线粒体功能障碍（ATP降低、ROS升高），纤维化增强。机制上，乳酸诱导HSP90乳酰化，破坏其与PINK1的相互作用，从而促成线粒体自噬损伤。同时，组蛋白H3K18乳酰化富集于TGF-β1启动子，导致TGF-β1转录增加及TGF-β1/Smad3纤维化级联激活，表现为p-Smad3、α-SMA、胶原I/III升高及成纤维细胞迁移增强。在体内，LDHA抑制剂GSK2837808A降低乳酸，改善线粒体自噬相关标志物，减轻纤维化并改善心功能。在体外，siRNA介导的LDHA或HSP90敲低抑制TGF-β1表达及成纤维细胞迁移。乳酸驱动的乳酰化通过双重机制与糖尿病心肌纤维化相关——经HSP90修饰损害线粒体自噬，并经H3K18乳酰化表观遗传激活TGF-β1。靶向乳酸-乳酰化-线粒体自噬-纤维化轴可能代表DCM潜在的实验性治疗策略，但仍需在转化模型中进一步验证并评估安全性与特异性。

论文解读：乳酸驱动的乳酰化经损害线粒体自噬与激活TGF-β1促进糖尿病心肌纤维化

一、研究背景与科学问题

糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy, DCM）是糖尿病的严重心脏并发症，以心肌纤维化、心室功能障碍及最终心力衰竭为特征，其发生独立于冠状动脉疾病或高血压。随着全球糖尿病患病率上升，即使在优化血糖控制下，DCM仍影响30%–40%的糖尿病患者，成为心力衰竭发病的重要贡献因素。心肌纤维化由活化成纤维细胞过度沉积细胞外基质蛋白所致，是DCM的关键病理基础，直接导致舒张及收缩功能障碍。然而，由于对代谢紊乱与心脏结构重塑之间分子通路认识不足，DCM的靶向治疗手段仍然有限。

在糖尿病心脏中，胰岛素抵抗、脂肪酸氧化受损及糖酵解通量增强等代谢紊乱导致乳酸积累。乳酸曾被视为代谢废物，但新近证据揭示乳酸通过一种新型翻译后修饰——乳酰化（lactylation），即乳酰基共价连接至组蛋白及功能蛋白的赖氨酸残基——发挥关键信号分子作用，将细胞代谢状态与表观遗传及功能调控直接整合。线粒体功能障碍是DCM的另一标志性特征，表现为生物能量缺陷、氧化应激及线粒体自噬（mitophagy）受损。线粒体自噬主要由PINK1/Parkin通路介导，是清除受损线粒体的选择性自噬过程。当线粒体自噬受损时，功能障碍的线粒体积累，促进成纤维细胞活化、胶原沉积及病理性纤维化。尽管乳酰化已在肺纤维化等疾病中被证实参与TGF-β1介导的纤维化反应，但其在心脏尤其是DCM及心肌纤维化中的角色及机制尚不清楚。基于此，研究人员提出假设：糖尿病心脏中乳酸积累通过乳酰化双重机制促进心肌纤维化——经HSP90乳酰化抑制PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬，并经组蛋白H3K18乳酰化激活TGF-β1/Smad3纤维化轴，旨在阐明此前未被认识的"乳酸–乳酰化–线粒体自噬–纤维化"轴。

二、主要关键技术方法

研究整合临床队列、动物模型与分子分析。临床队列纳入80例经心脏磁共振（cardiac MRI）证实心肌纤维化（细胞外容积分数ECV≥30%）的T2DM患者及40例无纤维化（ECV<30%）的年龄性别匹配T2DM对照，来源为新乡医学院第一附属医院，经伦理委员会批准（EC-2024-651）。动物模型采用8周龄雄性C57BL/6小鼠，以链脲佐菌素（STZ）连续5天腹腔注射诱导糖尿病，分为对照组、DM组、DM+GSK2837808A组及DM+溶媒组。细胞实验使用原代新生小鼠心脏成纤维细胞（CFs），暴露于高糖（HG, 25 mM）及外源乳酸（10 mM）。关键技术包括：Western blot检测蛋白表达、qPCR检测基因表达、染色质免疫沉淀-qPCR（ChIP-qPCR）检测H3K18la在TGF-β1启动子的富集、免疫共沉淀（Co-IP）检测HSP90乳酰化及HSP90-PINK1相互作用、ATP/ROS检测评估线粒体功能、Masson三色染色及羟脯氨酸测定评估纤维化、Transwell实验评估成纤维细胞迁移、超声心动图评估心功能，以及siRNA敲低LDHA或HSP90和LDHA药理学抑制剂GSK2837808A进行干预。

三、研究结果

心肌纤维化在糖尿病心肌病中增强，并与乳酸积累及线粒体功能障碍相关。 临床分析显示，伴纤维化T2DM患者血清乳酸显著升高（5.8±0.3 vs. 3.2±0.2 mmol/L, p<0.001），排除二甲双胍使用者后差异仍显著。纤维化组NT-proBNP升高、舒张功能参数受损（e'降低、E/e'升高），呈射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）表型。STZ诱导的糖尿病小鼠心肌乳酸升高2.1倍，LVEF（48.2% vs. 68.5%）及FS（22.3% vs. 36.7%）显著降低。Western blot显示PINK1下降62%、Parkin下降57%、LC3-II/I比值下降54%，ATP产生减少45%，ROS升高2.8倍。Masson染色显示胶原容积分数（CVF）达15.7% vs. 3.2%，羟脯氨酸含量升高2.9倍。相关性分析显示心肌乳酸与PINK1、Parkin负相关，与CVF、羟脯氨酸正相关，与LVEF、FS负相关。

乳酸诱导HSP90乳酰化，破坏PINK1/Parkin介导的线粒体自噬。 原代CFs在高糖基础上补充外源乳酸（10 mM）进一步加剧线粒体自噬缺陷：PINK1下降75%、Parkin下降68%、LC3-II/I下降60%。Co-IP证实乳酸处理显著诱导HSP90乳酰化修饰，并使HSP90-PINK1结合减少71%。siRNA敲低Hsp90显著逆转乳酸诱导的线粒体自噬损伤，恢复PINK1、Parkin及LC3-II/I表达。

乳酸经H3K18乳酰化驱动TGF-β1激活及促纤维化反应。 ChIP-qPCR证实HG+Lac处理下H3K18la在TGF-β1启动子富集增加4.2倍。Tgfb1 mRNA表达升高3.8倍，TGF-β1蛋白升高3.5倍，p-Smad3升高3.1倍，α-SMA升高3.0倍，胶原I升高3.2倍，胶原III升高2.8倍。Transwell实验显示乳酸处理的CFs迁移细胞数增加2.7倍。

糖尿病心脏纤维化基因表达谱。 糖尿病心肌组织Tgfb1 mRNA及蛋白分别升高3.1倍和2.8倍，Col1a1 mRNA及蛋白分别升高3.3倍和3.0倍，α-SMA蛋白升高2.7倍，Masson染色证实显著间质胶原沉积。

靶向乳酰化治疗减轻糖尿病病理。 LDHA抑制剂GSK2837808A治疗使糖尿病小鼠心肌乳酸降低49%，PINK1升高2.1倍，Parkin升高1.9倍，CVF降低48%，羟脯氨酸降低45%，LVEF增加35%，FS增加40%。体外siRNA敲低Ldha或Hsp90使TGF-β1转录抑制60%，CF迁移减少65%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，研究提出"乳酸–乳酰化–线粒体自噬–纤维化"轴作为DCM的潜在病理回路。血清乳酸水平反映全身代谢状态，但动物模型证实心肌乳酸在糖尿病心脏中升高，体外实验证实乳酸直接诱导所述分子改变。HSP90乳酰化破坏其与PINK1的相互作用，损害线粒体自噬起始；H3K18乳酰化在TGF-β1启动子富集驱动转录激活。两条通路可能通过ROS增强TGF-β1表达及TGF-β1抑制线粒体生物合成形成自我强化的病理回路。治疗上，靶向乳酸–乳酰化轴具有双重优势：经减少HSP90乳酰化恢复线粒体自噬，经减少TGF-β1启动子H3K18la减弱纤维化信号。LDHA抑制剂、乳酸转运体（如MCT4）抑制剂及p300/CBP抑制剂或HDAC激活剂等均可能作为潜在策略。研究局限性包括：STZ模型主要模拟1型糖尿病特征而非T2DM的胰岛素抵抗和肥胖；未进行无偏乳酰化蛋白质组学筛选及K189位点质谱验证；未直接测量线粒体自噬通量或超微结构分析；未进行免疫荧光共染确定体内各细胞类型中乳酰化、线粒体自噬损伤及TGF-β激活的具体定位。

研究结论：该研究提出"乳酸–乳酰化–线粒体自噬–纤维化"轴作为DCM的潜在病理回路。通过证明乳酰化可同时破坏线粒体质量控制并激活促纤维化信号，研究提供了可能解释糖尿病心脏代谢紊乱与结构重塑之间相互作用的机制。这些发现可能推进对DCM发病机制的认识，但靶向该轴的治疗潜力需进一步验证，包括长期安全性、靶点特异性及在更生理相关模型中的有效性评估。未来研究应优先开展这些转化研究，以确定该通路是否为这一日益普遍疾病可行的治疗靶点。