《Cell Biochemistry and Function》：USP18 Serves as a Key Mediator of cGAS-STING for Cardiac Aging in Diabetes
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糖尿病会加速心脏老化，但将代谢应激与心肌衰老联系起来的分子机制仍未得到充分阐明。本研究探讨了驱动糖尿病相关心脏老化的因素，重点关注USP18的作用。研究人员通过高脂饮食联合链脲佐菌素诱导小鼠2型糖尿病（T2DM），采用超声心动图、组织学、RNA测序、蛋白质印迹
糖尿病会加速心脏老化，但将代谢应激与心肌衰老联系起来的分子机制仍未得到充分阐明。本研究探讨了驱动糖尿病相关心脏老化的因素，重点关注USP18的作用。研究人员通过高脂饮食联合链脲佐菌素诱导小鼠2型糖尿病（T2DM），采用超声心动图、组织学、RNA测序、蛋白质印迹、qPCR和免疫荧光评估心脏结构、功能及分子改变，并使用高糖条件培养的H9C2心肌细胞进行体外验证。糖尿病小鼠表现出舒张功能障碍、心肌肥大和纤维化，伴随p53和p21表达增加。RNA-seq和蛋白质分析一致鉴定出USP18在糖尿病心脏中显著上调。USP18升高与cGAS–STING通路激活、TBK1磷酸化增加以及IL-6和IL-1β产生增强相关。高糖处理的心肌细胞同样表现出USP18诱导、cGAS–STING信号稳定化以及衰老相关反应增强。USP18通过促进cGAS–STING激活和炎症性衰老促进糖尿病心脏老化。靶向USP18可能代表缓解糖尿病条件下心肌老化的潜在策略。
**一、研究背景与科学问题**
心脏老化是一个伴随心脏功能逐渐下降的生理过程，涉及多种细胞和分子水平的改变，最终导致心脏结构和功能恶化，增加老年人对应激的易感性以及心血管发病率和死亡率。心脏老化的关键标志包括左心室（LV）肥大、舒张功能受损、收缩储备能力受限、进行性动脉僵硬和内皮功能下降。尽管具有重要临床意义，驱动心脏老化的分子机制仍未完全阐明。
2型糖尿病（T2DM）是以慢性高血糖和胰岛素抵抗为特征的全球性代谢紊乱疾病。除众所周知的血管和肾脏并发症外，T2DM日益被认为是器官老化的加速器，包括心脏老化。累积证据表明，糖尿病状态可诱导氧化应激、线粒体功能障碍、晚期糖基化终末产物（AGEs）积累和低度慢性炎症——所有这些均可促进心肌细胞衰老和纤维化。转录组学和组织学分析已证实，T2DM心脏表现衰老标志物如p16INK4a和p21表达增强，同时伴有舒张功能受损和再生潜力降低。然而，糖尿病代谢应激与心脏老化加速之间的精确分子联系尚未完全阐明，留下了潜在治疗干预的关键空白。
在参与老化相关组织功能障碍的信号通路中，环鸟苷酸-腺苷酸合酶-干扰素基因刺激因子（cGAS–STING）轴已成为关键调控因子。cGAS–STING的激活将胞质DNA感知与TBK1/IRF3和NF-κB依赖性炎症反应联系起来。近期证据表明，心脏组织中该通路的激活可诱导炎症、线粒体功能障碍、心肌细胞衰老、心室僵硬和心肌纤维化——这些均是心脏老化的标志性特征。在T2DM等代谢性疾病中，高血糖、脂毒性和线粒体损伤促进胞质DNA泄漏，激活cGAS–STING信号，从而放大炎症和组织损伤。这些发现表明cGAS–STING可能代表糖尿病代谢应激与心脏老化之间的关键分子联系。
泛素特异性蛋白酶18（USP18），最初被鉴定为ISG15异肽酶，是I型和III型干扰素信号的既定调控因子。新出现的证据表明，USP18通过招募去泛素化酶USP20稳定STING来调节先天免疫激活，从而增强下游炎症信号。鉴于慢性炎症和衰老是糖尿病心脏老化的核心，USP18代表了将T2DM相关代谢应激与异常cGAS–STING激活联系起来的一个合理的上游调控因子。
基于上述背景，本研究旨在确定T2DM是否加速心脏老化，并研究USP18在此过程中调节cGAS–STING通路的作用。
**二、研究设计与关键技术方法**
研究人员采用高脂饮食联合低剂量链脲佐菌素（STZ）诱导的2型糖尿病小鼠模型和高糖处理的大鼠H9C2心肌细胞模型，系统评估了心脏老化相关指标。研究使用的雄性C57BL/6J小鼠（6-8周龄，约40只）购自湖南斯莱克景达实验动物有限公司，分为正常饮食组和高脂饮食组（各20只），高脂饮食（60 kcal%脂肪；D12492，Research Diets）饲喂8周，第8周连续5天腹腔注射低剂量STZ（40 mg/kg）诱导胰腺β细胞功能障碍。空腹血糖≥11.1 mmol/L（连续三次检测）被判定为糖尿病。主要技术方法包括：超声心动图评估心脏结构与功能、组织学染色（H&E、Masson）评估心肌肥大与纤维化、RNA测序（RNA-seq）及生物信息学分析（DESeq2鉴定差异表达基因，GO/KEGG/Reactome/WikiPathways功能富集分析）、蛋白质印迹（Western blotting）、qPCR和免疫荧光染色。所有动物实验经中南大学湘雅二医院实验动物福利伦理委员会批准（批准号：2025.0567）。
**三、主要研究结果**
**3.1 糖尿病状态加速心脏老化相关改变**
经胸超声心动图显示，与健康对照组相比，糖尿病小鼠收缩性能显著受损，表现为左心室射血分数（LVEF）和缩短分数（FS）显著降低。此外，糖尿病小鼠舒张功能受损，表现为舒张末期左心室内径（LVID;d）、舒张末期室间隔厚度（IVS;d）和Tei指数增加。分子水平上，衰老相关标志物p21和p53在糖尿病小鼠心脏组织中显著上调。形态学分析证实心肌肥大，表现为心肌细胞横截面积增加。大体形态学评估显示糖尿病小鼠心脏增大，符合肥大性重塑特征。此外，糖尿病小鼠左心室胶原容积增加，表明存在心肌纤维化。综上所述，糖尿病小鼠表现出显著的结构和功能改变，包括心肌肥大、舒张功能障碍和纤维化，这些均是心脏老化样改变。
**3.2 RNA测序揭示糖尿病心脏老化的关键基因和通路**
对糖尿病小鼠和正常小鼠心脏组织进行批量RNA测序，火山图和热图显示了差异表达基因（DEGs）的整体分布。上调最显著的10个基因为LOC115486416、Cyp4f15、Apol9a、Hmgcs2、Chrna2、Olfm2、Sfrp5、Ifi206、Card11和Apol9b，下调最显著的10个基因为Pah、Cyp1a1、Abat、Sv2c、Lrrc4b、Adcy1、Scgb1c1、Gm40652、Gnb3和Hsbp1l1。基因本体论（GO）分析显示，DEGs在生物过程（BP）中显著富集于病毒防御反应、细胞对干扰素-β的反应和昼夜节律调控；细胞组分（CC）分析显示富集于含胶原的主要组织相容性复合体I类肽装载复合物、胞质溶胶和Schaffer侧支-CA1突触；分子功能（MF）分析突出2′-5′寡腺苷酸合成酶活性、双链RNA结合和催化活性。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析显示富集于病毒感染性疾病、免疫系统调控、转运和分解代谢、丙型肝炎和HIV-1感染。进一步分析30个上调和下调最显著的基因，发现多个与炎症和老化相关的基因，包括Card11、Ifi206、Hmgcs2、Chrna2、Olfm2和USP18。其中，USP18基于以下标准被优先考虑：（1）在转录组和蛋白质水平均一致上调；（2）在调控先天免疫信号中的既定作用；（3）先前证据将USP18与STING依赖性炎症通路联系起来。
**3.3 USP18在糖尿病心脏中表达显著上调**
蛋白质印迹和免疫荧光染色证实，与对照组相比，糖尿病小鼠心脏中USP18蛋白水平显著上调，与生物信息学分析结果一致。qPCR进一步证明糖尿病心脏中Usp18 mRNA显著上调。这些结果支持USP18在糖尿病诱导的心脏病理中的潜在作用。
**3.4 USP18与糖尿病小鼠cGAS–STING通路稳定性增强及下游炎症和衰老相关分子的激活相关**
鉴于心脏老化与炎症之间的既定联系，研究人员将研究重点放在炎症通路上。与老化和炎症相关的cGAS-STING通路成为潜在介质。蛋白质印迹显示，糖尿病小鼠cGAS和STING蛋白水平显著高于对照组。免疫荧光染色进一步证实糖尿病心脏中STING表达增加。此外，STING下游关键激酶磷酸化TBK1（Ser172；pTBK1）在糖尿病心脏中上调，伴随IL-6和IL-1β表达增加。这些发现表明，USP18调节cGAS–STING轴，从而激活cGAS-STING通路，并在糖尿病心脏老化中伴随炎症细胞因子和衰老相关标志物表达增加。
**3.5 USP18通过cGAS-STING通路介导糖尿病心肌细胞衰老**
为验证USP18在糖尿病诱导的心脏老化加速中的作用，研究人员使用高糖处理的大鼠心肌细胞（H9C2）建立了体外模型模拟糖尿病状态。蛋白质印迹显示，高糖处理组细胞中衰老关键标志物p53蛋白水平显著上调。与体内结果一致，高糖条件下USP18表达显著上调。同时，cGAS-STING通路被激活，表现为cGAS、STING及下游信号分子上调。这些结果表明，USP18通过激活cGAS-STING通路促进糖尿病条件下的心肌细胞衰老，驱动炎症和老化相关标志物的上调。
**四、讨论与结论**
在讨论部分，研究人员指出，与其他DEGs相比，USP18独特地整合了干扰素信号、泛素调控和先天免疫激活，使其成为机制研究的理想候选分子。数据表明USP18上调与cGAS–STING通路激活相关。尽管精确的分子机制尚需充分阐明，先前研究提示USP18可能通过去泛素化依赖性机制调节STING稳定性。因此，USP18可能通过稳定STING增强糖尿病心肌细胞中的cGAS–STING信号，但本研究未提供直接相互作用证据，有待进一步研究。
研究还讨论了一个核心发现：USP18激活与糖尿病心脏中cGAS–STING通路的显著刺激同时发生。研究提供了体内和体外证据，表明高血糖激活心肌细胞中的cGAS–STING信号，伴随TBK1磷酸化增加和衰老相关分泌表型（SASP）细胞因子如IL-6和IL-1β的分泌。鉴于线粒体损伤和核DNA泄漏是糖尿病诱导的心脏应激的标志，胞质DNA积累被提出作为cGAS激活的潜在触发因素，但本研究未直接评估胞质DNA积累。在USP18与STING的多维调控关系方面，研究人员讨论了不同病理背景下的不同机制：在肿瘤免疫微环境中，STING常通过ISGylation稳定，USP18作为主要去ISG化酶去除STING上的ISG15部分，促进其降解从而损害抗肿瘤免疫；在急性肺损伤中，IFIT3作为支架蛋白桥接USP18与STING的相互作用，增强STING稳定性，放大促炎信号；在脓毒症诱导的急性肾损伤中，USP18直接与STING相互作用介导其去泛素化，稳定STING促进铁死亡并触发强烈炎症反应。因此，未来靶向USP18的治疗策略应考虑组织特异性调节或通路选择性干预以最小化潜在不良反应。
研究承认存在若干局限性：H9C2细胞来源于胚胎大鼠心肌，缺乏成人心肌细胞的关键结构和代谢特征；cGAS–STING激活与衰老标志物之间的因果关系需药理学或遗传学抑制剂进一步验证。然而，研究结果为靶向USP18–cGAS–STING信号作为糖尿病相关心脏老化的治疗策略提供了令人信服的理论依据。
**研究结论：**本研究鉴定USP18为糖尿病诱导心脏老化加速的新型调控因子，将代谢应激与cGAS–STING通路激活和炎症性衰老联系起来。研究提供证据表明，高血糖诱导的USP18上调与增强的先天免疫信号和心脏重塑相关。尽管精确分子机制需进一步研究，这些结果突显USP18作为缓解糖尿病心脏老化潜在治疗靶点的价值。未来聚焦机制验证和转化模型的研究对于推进这些发现向临床应用至关重要。
