《Redox Biology》：4E-BP Inhibition Ameliorates Heart Failure Through Translational Upregulation of SERCA2a and Modulation of Mitochondrial Redox Signaling in Cardiomyocytes
编辑推荐：
为了探索心力衰竭（CHF）新的治疗策略，研究人员针对4E结合蛋白（4E-BPs）在翻译调控中的抑制作用开展研究。研究发现，敲除4E-BP1/2可通过促进真核翻译起始因子4F（eIF4F）复合物与SERCA2a mRNA的结合，特异性上调心肌SERCA2a蛋白的翻译水平，同时改善线粒体功能障碍与氧化应激，从而显著减轻小鼠横向主动脉缩窄（TAC）诱导的心力衰竭。该研究揭示了抑制心脏4E-BPs信号可作为一种治疗CHF的新方法，具有重要转化价值。
心力衰竭是全球范围内导致死亡的主要原因之一，其患病率的持续上升构成了严峻的公共卫生挑战。在这一复杂疾病的背后，有两个关键“薄弱环节”备受关注。其一，负责将心肌细胞细胞质中的钙离子“泵”回肌质网的钙转运蛋白（SERCA2a）的表达或活性常常显著降低，这直接损害了心肌的收缩与舒张功能。其二，作为细胞“能量工厂”的线粒体发生功能障碍，导致能量（ATP）产生不足，并且伴随过量活性氧（ROS）等氧化应激产物的堆积，进一步加剧心肌损伤。然而，心力衰竭状态下，这两个关键环节受损的深层次调控机制仍有待阐明，特别是它们之间是否存在联系以及如何联系。
那么，是否存在一个“总开关”，能够同时调控SERCA2a的表达和线粒体的健康状态呢？近期研究表明，蛋白质翻译（即mRNA指导蛋白质合成的过程）的调控在心脏病理生理学中扮演着重要角色。其中，真核翻译起始因子4E结合蛋白（4E-BP1和4E-BP2）扮演着翻译“刹车”的角色：它们通过与翻译起始因子eIF4E结合，阻止eIF4E与eIF4G形成有功能的eIF4F复合物，从而抑制依赖“帽子”结构的蛋白质翻译起始。这促使研究者思考：在心力衰竭的压力负荷下，抑制4E-BPs这一“刹车”能否释放有益的蛋白质翻译潜能，从而同时提升SERCA2a表达和改善线粒体功能？发表在《Redox Biology》上的这项研究，正是为了解答这个核心问题。
为了系统探索4E-BPs在心力衰竭中的作用，研究人员运用了多种关键技术。研究在动物模型层面，主要使用了8至12周龄的4E-BP1/2双敲除（DKO）小鼠和野生型对照小鼠，通过“横向主动脉缩窄”手术建立压力超负荷诱导的心力衰竭模型。通过小鼠超声心动图和左心室导管技术评估心脏结构与功能。在机制层面，采用了心脏特异性腺相关病毒血清型9（AAV9）介导的基因治疗，在体靶向敲低或过表达4E-BP1和SERCA2a。利用高通量RNA测序（RNA-seq）技术分析左心室全基因组转录谱，并通过基因集富集分析寻找受影响的通路。通过高分辨率线粒体呼吸测定仪检测心肌组织耗氧率来评估线粒体功能。通过蛋白质印迹、免疫沉淀结合实时定量PCR等技术，检测SERCA2a蛋白和mRNA水平，并分析SERCA2a mRNA与eIF4F复合物的结合情况。体外研究则使用了大鼠H9c2心肌细胞系，通过腺病毒感染进行基因操控，并使用苯肾上腺素诱导细胞肥大模型。
研究结果层层深入地揭示了4E-BPs在心力衰竭中的关键作用。首先，4E-BP1/2 DKO显著减轻了TAC诱导的心力衰竭。研究发现，在TAC术后4周，与野生型小鼠相比，4E-BP1/2 DKO小鼠的死亡率降低了三倍，左心室射血分数和最大/最小收缩速率（dP/dtmax/dP/dtmin）得到了更好的维持，左心房肥大、肺充血（肺重量增加）和右心室肥厚等心衰相关病理改变也显著减轻。这一保护作用在TAC术后2周就已显现，且对雌雄小鼠均有效。
其次，4E-BP1/2 DKO改善了TAC诱导的线粒体功能障碍和氧化应激。RNA-seq分析显示，TAC导致野生型小鼠心肌中电子传递链、脂肪酸β氧化等代谢通路基因表达下调，而干扰素、炎症反应通路基因表达上调。4E-BP1/2 DKO逆转了这些变化。功能检测证实，DKO小鼠心肌线粒体复合物I、II的呼吸能力和最大电子传递系统能力得到更好的维持，ATP含量和线粒体DNA水平下降幅度更小。此外，透射电镜显示线粒体肿胀破坏减少，线粒体超氧化物、4-羟基壬烯醛和3-硝基酪氨酸等氧化应激标志物水平降低。同时，DKO促进了线粒体融合蛋白MFN1、OPA1，以及线粒体自噬关键蛋白Parkin、PINK1的表达，抑制了分裂蛋白DRP1的上调，并上调了超氧化物歧化酶2、过氧化物还原酶3/5等线粒体抗氧化酶。
第三，4E-BP1是介导上述效应的主要亚型。在TAC小鼠中，利用AAV9在心脏特异性敲低4E-BP1，可以部分复制DKO的保护效应，改善肺充血、心功能和线粒体呼吸；相反，心脏特异性过表达4E-BP1则会加剧TAC诱导的心功能障碍、纤维化和线粒体损伤。
第四，机制上，4E-BP1/2 DKO通过选择性增强SERCA2a的翻译效率来上调其蛋白表达。研究发现，DKO小鼠心肌SERCA2a蛋白水平增加了两倍以上，而其mRNA水平不变。免疫沉淀实验表明，DKO促进了eIF4E与eIF4G的结合，并特异性增加了SERCA2a mRNA（而非管家基因GAPDH mRNA）与eIF4F复合物的结合。同位素标记新蛋白合成实验直接证实，源自DKO小鼠的心肌细胞，其新合成的SERCA2a蛋白增加了约40%，而总蛋白合成仅增加约10%，说明SERCA2a的合成被选择性增强。在体外培养的心肌细胞中，过表达野生型或非磷酸化突变型4E-BP1会抑制SERCA2a蛋白表达，且不改变其mRNA水平。
第五，SERCA2a的上调是4E-BP1/2 DKO产生心脏保护作用的关键介质。在TAC后的4E-BP1/2 DKO小鼠中，利用AAV9敲低心脏SERCA2a后，原本受到保护的心功能急剧恶化，表现为射血分数下降、肺充血加重、心肌纤维化和线粒体超氧化物水平回升，线粒体呼吸功能和关键蛋白表达也再度受损。同样，在体外肥大心肌细胞模型中，敲低SERCA2a也逆转了4E-BP1敲低所带来的线粒体呼吸改善和氧化应激减轻效应。
最后，结论与讨论部分强调，这项研究提供了令人信服的证据，表明通过遗传手段敲除翻译抑制因子4E-BP1和4E-BP2，能够保护小鼠免于慢性压力超负荷诱导的心力衰竭发生与发展。其核心机制在于改变了心肌的翻译图谱：解除了4E-BPs对帽子依赖性翻译的抑制后，eIF4F复合物得以优先与具有高GC含量5‘非翻译区（UTR）的SERCA2a mRNA结合，从而特异性、选择性地提高了SERCA2a的蛋白质翻译效率。SERCA2a水平的恢复，是启动一系列保护效应的关键。它改善了心肌细胞钙处理能力，并以此为起点，带动了线粒体能量代谢（电子传递链、脂肪酸氧化）、动力学（融合/分裂）和质量控制（自噬）相关基因与蛋白表达的上调，同时增强了线粒体抗氧化防御体系。最终，这些变化协同作用，形成了一个良性的“正反馈循环”，打破了心力衰竭中“钙处理异常-线粒体功能障碍-氧化应激”相互加剧的恶性循环。这一研究不仅为心力衰竭的病理机制提供了新的视角，更重要的是，它指出靶向心脏4E-BPs信号（例如，开发心脏特异性的4E-BP抑制剂），通过翻译水平上调SERCA2a并同步改善线粒体功能与氧化还原平衡，是一种极具潜力的治疗心力衰竭的新策略。
