PNAS：肌营养不良性心脏病发生的分子机制

近日，来自斯坦福大学医学院的研究人员通过研究发现，进行性的端粒缩短或许会促进心脏功能减弱及变大，而这会直接导致很多杜氏肌营养不良症患者直接死亡，研究者发现，这种端粒缩短尤其会发生在实验室培养的疾病模型小鼠的心肌细胞中，而且端粒缩短还诱发DNA的损伤进而会导致细胞线粒体功能衰退，最终，心肌细胞就无法有效向全身泵出血液作为营养供给了。

本文这项研究是2010年发表在国际杂志Cell以及2013年发表在Nature Cell Biology上的两项研究报告的一个延续，文章中，研究者鉴别出了一种治疗杜氏肌营养不良症的可能性疗法，同时研究者还首次将在受影响细胞中所观察到的不同结果联系了起来。研究者Helen Blau博士指出，我们首次研究发现，端粒的缩短似乎会通过在非分裂的细胞中引发DNA损伤效应来直接同线粒体功能发生关联，同时我们还描述了其引发细胞死亡的分子步骤，为后期寻找新型疗法来治疗杜氏肌营养不良症患者的心力衰竭提供新的思路。

研究者利用2013年开发的一种小鼠疾病模型首次准确模拟出了人类杜氏肌营养不良症的表现，心肌细胞中端粒的不断缩短让研究者非常好奇，因为心肌细胞很少会发生分裂，自然状况下端粒会随着细胞分裂而逐渐变短，其就好像扮演着细胞生命的分子时钟一样，而且在并不分裂的健康组织（心肌）中端粒的长度一般是稳定不变的。Blau说道，在小鼠机体中，心脏的细胞分裂往往会在出生的一周内停止，但我们发现端粒长度却会发生一种不依赖细胞增殖性的减少。

很难研究的疾病

杜氏肌营养不良症是一种最流行的遗传性肌营养不良症，其是由肌营养不良蛋白基因突变所引发，该基因能够抑制肌营养不良蛋白的产生，从而将肌细胞的内部骨架同细胞外基质相联系起来，但近年来研究者却很难对该病进行研究，因为携带相同肌营养不良蛋白突变的小鼠并不会表现出和人类一样的症状。

在2013年的一项研究中，研究者就发现，肌营养不良患者的症状要比小鼠更为严重，因为其二者端粒的平均长度存在一定的差异，小鼠的端粒大约为40千碱基，而人类则为5至15千碱基，当研究人员在端粒长度和人类非常近似的小鼠机体中引入第二种突变时，这种人源化的小鼠就开始表现出疾病的典型症状，包括进行性肌无力、心脏扩大以及寿命明显缩短。

尤其是，研究者还观察到，相比心脏中其它肌细胞而言，心肌细胞的端粒会明显缩短，比如脉管系统中的平滑肌细胞就并不需要肌营养不良蛋白来维持功能，而这不仅在肌营养不良蛋白突变的小鼠中是这样，而且在死于心肌病的四名杜氏肌营养不良症患者机体中亦是如此。尽管随着细胞发生分裂端粒自然而然会慢慢缩短，但在不进行分裂的细胞，比如心肌细胞中端粒的长度就会保持稳定。

研究者Chang说道，此前我们通过研究发现，端粒在杜氏肌营养不良症患者心肌病的发生过程中扮演着重要角色，但我们并不清楚疾病的动力学变化状况，那么端粒的缩短到底是突然发生的，还是有规律地发生？是否有方法能够对其进行干预呢？而且疾病到底如何影响患者的心脏功能呢？

不进行细胞分裂时端粒是如何缩短的？

研究者Chang等人通过研究，在小鼠出生1周、4周、8周以及32周时对缺失肌营养不良蛋白的小鼠心肌细胞中端粒的长度进行研究，他们发现，尽管在一周内心肌细胞就会停止分裂，但端粒依然会不断缩短，最终在32周时失去将近40%的长度。随后对受影响的小鼠心肌细胞进行深入研究后，研究者发现，端粒的缩短或许和p53蛋白水平的增加直接相关，而p53在DNA损伤时往往水平会增加，随后p53就会影响对线粒体复制和功能非常重要的两种蛋白的表达。

研究者Blau说道，这些线粒体主要调节子水平的下降会导致细胞线粒体数量的下降以及线粒体功能出现异常，而这就会使得细胞制造ATP的水平下降，同时损伤性活性氧的水平也会增加，进而就会导致小鼠机体出现心肌病，引发小鼠死亡。利用线粒体特殊的抗氧化剂来对4周大的小鼠进行治疗就会限制小鼠机体细胞随后线粒体的损伤效应。

研究者Chang和Blau非常感兴趣研究为何功能性的肌营养不良蛋白的缺失会引发心肌细胞中线粒体的缩短，下一步他们计划通过深入研究来调查是否人工延长端粒会阻断小鼠机体心脏的损伤效应。最后研究者Blau说道，在我们尝试设计应用于人类疾病的疗法之前我们还需要进行更为深入的研究，但基于目前的研究而言，我们发现，端粒在很多人类疾病中以及一些不发生分裂的细胞中，比如神经元和心肌组织中都扮演着非常重要的角色。

原始出处：

Chang AC, Ong SG, LaGory EL, Kraft PE, Giaccia AJ, Wu JC, Blau HM. Telomere shortening and metabolic compromise underlie dystrophic cardiomyopathy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Oct 31. pii: 201615340

Chang AC, Ong SG, LaGory EL, Kraft PE, Giaccia AJ, Wu JC, Blau HM. Telomere shortening and metabolic compromise underlie dystrophic cardiomyopathy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Oct 31. pii: 201615340

Mourkioti F, Kustan J, Kraft P, Day JW, Zhao MM, Kost-Alimova M, Protopopov A, DePinho RA, Bernstein D, Meeker AK, Blau HM. Role of telomere dysfunction in cardiac failure in Duchenne muscular dystrophy. Nat Cell Biol. 2013 Aug;15(8):895-904

Sacco A, Mourkioti F, Tran R, Choi J, Llewellyn M, Kraft P, Shkreli M, Delp S, Pomerantz JH, Artandi SE, Blau HM. Short telomeres and stem cell exhaustion model Duchenne muscular dystrophy in mdx/mTR mice. Cell. 2010 Dec 23;143(7):1059-71.

Blau HM. Cell therapies for muscular dystrophy. N Engl J Med. 2008 Sep 25;359(13):1403-5.