《Cellular Signalling》：Smyd1 signaling activation improves mitochondrial function and reduces diabetes-associated atrial fibrillation by enhancing PGC-1α signaling pathway
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摘要肌肉特异性组蛋白甲基转移酶1（Smyd1）对骨骼肌和心肌的发育至关重要，但其在糖尿病相关心房颤动中的作用及机制尚未明确。本研究旨在阐明Smyd1-PGC-1α通路在心房颤动发病机制中的作用，并探究其背后的机制。通过生物信息学数据以及体内/体外实验，我们发现糖尿病小鼠的心房以及
摘要
肌肉特异性组蛋白甲基转移酶1（Smyd1）对骨骼肌和心肌的发育至关重要，但其在糖尿病相关心房颤动中的作用及机制尚未明确。本研究旨在阐明Smyd1-PGC-1α通路在心房颤动发病机制中的作用，并探究其背后的机制。通过生物信息学数据以及体内/体外实验，我们发现糖尿病小鼠的心房以及经高糖/棕榈酸处理的HL-1心肌细胞中Smyd1的表达显著降低。这一负面效应伴随着PGC-1α转录水平下降以及线粒体生物合成功能受损，进而导致心房扩大、结构和电生理改变、纤维化、脂滴积累，以及心房颤动易感性增加。重要的是，过表达Smyd1可逆转上述损伤。从机制上看，心脏特异性的Smyd1过表达可通过激活PGC-1α转录来增强线粒体生物合成和呼吸功能，同时改善高糖/棕榈酸引起的线粒体动态和膜电位异常。该通路能够减轻高脂饮食/链脲佐菌素诱导的心肌损伤，降低糖尿病相关心房颤动的发生风险。这些发现表明，Smyd1-PGC-1α轴是一个具有潜力的临床前研究靶点，值得在人体组织和临床环境中进一步研究。
引言
心房颤动是一种室上性快速心律失常，其特征是心房电活动紊乱，从而导致心房收缩功能异常。在心电图上，当房室传导正常时，心房颤动表现为不规则的R-R间期、离散且重复的P波消失，以及非重复性的不规则心房电活动[1]。心房颤动的发病涉及多种分子和电生理异常，而这些电生理改变与离子通道电流的失调有关。研究表明，与窦性心律相比，心房颤动的发病涉及多种因素，包括心房肌细胞中持续存在的钙处理异常，该异常会激活钙依赖性信号通路[2]、miR-106b-25基因簇对RyR2的转录后调控[3]，以及自主神经功能障碍[4]等。这些因素共同促成了心房颤动的发生与发展。
2型糖尿病是一种常见的慢性代谢性疾病，也是心血管疾病的重要风险因素。大量流行病学数据表明，糖尿病会独立增加心房颤动的风险，糖尿病患者的患病率比非糖尿病患者高出34–40%。随着病程的延长和血糖控制状况的恶化，这一风险还会进一步上升。心房颤动与糖尿病并存会显著恶化临床预后，增加住院率，同时大幅提升中风、心力衰竭和死亡的风险[5]。糖尿病与心房颤动之间的病理生理联系十分复杂且多因素交织，包括心房电重构、结构重构以及自主神经调节功能的改变。在分子层面，高血糖引发的氧化应激、炎症信号传导以及线粒体功能障碍是主要致病因素[6]；尤其是线粒体功能受损已被认为是糖尿病相关心房病变的核心机制。心房肌细胞的兴奋-收缩耦联，以及离子通道/泵的完整性和电传导功能的维持，都严重依赖于三磷酸腺苷（ATP）[7]。在糖尿病状态下，高血糖引发的氧化应激会损害线粒体的ATP生成能力。Kanaan等人发现，患有心房颤动的糖尿病患者，其线粒体电子传递链中的复合体I和II功能存在异常，且超复合物的组装也有缺陷，而这些情况在无心房颤动的糖尿病患者中并不常见[8]。这类代谢紊乱会促进心房纤维化以及传导异常，同时还会干扰离子通道的功能（包括K+、Na+和Ca2+电流），从而延长动作电位的持续时间，为心房颤动的发生提供条件[9]。
Smyd蛋白家族具有保守的SET结构和MYND结构域。SET结构域是一种在进化过程中得以保留的催化元件，它能够通过将S-腺苷甲硫氨酸中的甲基转移到赖氨酸残基上，从而实现赖氨酸的甲基化[10]。MYND结构域则包含一个富含半胱氨酸的锌指结构，由七个保守的半胱氨酸残基和一个保守的组氨酸残基组成[11]。在人类和小鼠中，Smyd家族共有五个成员——Smyd1、Smyd2、Smyd3、Smyd4和Smyd5——它们都被认为或推测具有针对组蛋白和非组蛋白底物的甲基转移酶活性[12]。Smyd1主要在心脏和骨骼肌中表达，Smyd2在胚胎心脏以及大脑、心脏、胸腺、卵巢和肝脏等多种成体组织中高表达，Smyd3则在心脏、骨骼肌、睾丸、胸腺、大脑、肾脏和卵巢等器官中广泛表达[13]。Smyd4已被证实是乳腺癌中的肿瘤抑制因子[14]，而Smyd5则通过三甲基化H4K20来调控促炎基因的表达[15]。这些组织特异性的表达模式表明，不同的Smyd同源物具有不同的生物学功能。值得注意的是，遗传学研究已经证明，Smyd1对心脏发育至关重要：缺乏该基因会导致胚胎死亡以及心脏形态形成的严重缺陷[16]。在成年小鼠心脏中缺失Smyd1也会引发肥厚性心脏重构，进而发展为严重的心力衰竭[17]。Junco S. Warren及其同事发现，在出现明显的心脏功能障碍之前，Smyd1的缺失就已经会导致线粒体能量代谢功能下降，而且Smyd1主要是通过PGC-1α来调控线粒体能量代谢的，而PGC-1α则是线粒体生物合成和功能调控的关键转录共激活因子[18]。尽管已有这些研究发现，但Smyd1在糖尿病相关心房颤动中的作用至今仍未明确。
我们的研究发现，Smyd1在心房组织中高表达，且具有抵御糖尿病诱发心房颤动的作用。公共数据（GSE271748）以及先前的研究也显示，经棕榈酸处理的人类诱导多能干细胞衍生的心房心肌细胞中，Smyd1的表达显著降低[19]。与这些结果一致，我们的转录组分析、动物模型实验以及细胞实验也都表明，糖尿病状态下Smyd1的水平明显下降。从机制上看，心脏特异性的Smyd1过表达可以通过PGC-1α来促进线粒体能量代谢和氧化代谢，进而上调线粒体呼吸复合体I、II、III和V的组成部分。这一通路能够减轻高脂饮食/链脲佐菌素诱导的心肌损伤，降低糖尿病相关心房颤动的发生风险。
章节节选
动物实验设计及伦理声明
雄性野生C57BL/6?J小鼠（8周龄，体重20?±?2克）购自北京华福康生物技术有限公司。小鼠到货后，在配备水和标准饲料的标准饲养设施中适应一周。之后，所有小鼠均通过尾静脉注射腺相关病毒或对照载体，以此在心脏中实现目标基因的特异过表达或相应对照基因的表达。小鼠被随机分为四组（每组=12只）：(1) ND + MCS：
生物信息学分析显示，2型糖尿病小鼠的心房组织中与线粒体相关的基因、线粒体呼吸链组装以及氧化磷酸化功能均有所下降
通过对糖尿病小鼠心房组织进行RNA测序分析，共检测到56,481个基因（见表S1）。根据|Log2倍变率|>0.25且p值<0.05的标准，我们共识别出2223个差异表达基因，其中包括1069个上调基因和1154个下调基因（见图1A）。对2型糖尿病中下调基因的基因本体论分析显示，这些基因在主要与线粒体功能相关的生物过程方面存在显著富集，包括线粒体呼吸功能等
讨论
我们的研究表明，Smyd1在调节心房线粒体能量代谢方面起着关键作用，同时能够降低糖尿病动物模型中心房颤动的发生风险。心脏特异性的Smyd1活性可以减轻心室的收缩和舒张功能障碍，限制病理性肥厚和心肌纤维化的发生，同时还能提升线粒体的呼吸功能。从机制层面来看，我们确定PGC-1α是这种在心肌细胞中高表达的甲基转移酶的下游效应因子，同时我们也证明了Smyd1能够改善线粒体功能
局限性
本研究存在若干局限性。首先，虽然我们提出了通过AAV递送Smyd1作为治疗糖尿病相关心房颤动的潜在策略，但目前尚缺乏在人类心房组织中验证Smyd1-PGC-1α通路的证据，比如右心房附壁组织活检样本。此外，我们的大部分功能数据都来自高脂饮食/链脲佐菌素诱导的小鼠模型以及体外细胞系统，而小鼠模型与人类在心脏电生理特性及心房颤动发病机制方面存在显著差异
结论
本研究表明，Smyd1是PGC-1α的关键调控因子，它通过PGC-1α来促进线粒体的生物合成以及呼吸链的组装。我们的研究为Smyd1功能异常在糖尿病相关心房颤动发病机制中的核心作用提供了证据。这些发现不仅揭示了一种新的病理机制，同时也凸显了通过靶向Smyd1来恢复心房颤动患者线粒体功能的潜在治疗价值。
CRediT作者贡献说明
王远：论文撰写——初稿撰写、实验开展、正式分析、数据整理。朱立：论文撰写——初稿撰写、实验开展、正式分析、数据整理。黄欣怡：实验开展、正式分析、数据整理。周志军：结果验证、方法设计、实验开展。徐银丽：方法设计、实验开展、概念构思。孙博轩：结果验证、资源获取、正式分析。李佳辉：软件使用、方法设计、概念构思。于立明：论文润色与编辑、研究监督、资金支持
资助
本研究得到了国家自然科学基金（编号82570388、82170328）、辽宁省自然科学基金优秀青年基金（编号2025-YQ-20）以及辽宁省振兴人才计划（编号XLYC2203006）的资助。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
我们感谢上海新芯生物科技有限公司的陈明杰为我们的数据分析和可视化工作提供的帮助。同时，我们也要感谢Figdraw.com为我们的图表制作提供的支持（编号：IOUOSf2f1f，TTRPW40554）。
王远|朱立|黄欣怡|周志军|徐银丽|孙博轩|李佳辉|于立明|王慧珊
中国辽宁省沈阳市文华路83号，北方战区总医院心血管外科，寒区心血管疾病国家重点实验室，邮编110016
