Nat Commun 赵健元/陶辉/桂永浩/王凤合作团队揭示NOTCH1线粒体定位在心脏发育中的关键作用

先天性心脏病(先心病)是全球最常见的出生缺陷类型，其发病机制复杂，受遗传、环境、代谢等多因素调控。经典的Notch信号通路调控了心脏发育多个阶段，特别是内皮-间质转化(endothelial-to-mesenchymal transition, EndMT)过程，这对心腔内间隔发育、瓣膜形成、主动脉与肺动脉分隔的发育至关重要，在多种类型先心病的患者及家系中亦可发现NOTCH1基因突变。近年研究显示，Notch信号通路不仅调控细胞增殖与分化，还具有调节线粒体代谢的潜能，而这种调控如何参与心脏发育仍是未解的谜团。

2024年11月16日，上海交通大学医学院附属新华医院赵健元教授/安徽医科大学陶辉教授/复旦大学附属儿科医院桂永浩教授及王凤教授团队在Nature Communications发表了题为“NOTCH1 mitochondria localization during heart development promotes mitochondrial metabolism and the endothelial-to-mesenchymal transition in mice”的研究论文，该研究发现NOTCH1可以活化丙酮酸脱氢酶(PDH)并激活线粒体代谢，从而参与调控心脏发育的关键过程内皮-间质转化(EndMT)，为特定遗传背景的先心病提供了潜在预防策略。

首先，研究者通过分离亚细胞组分及免疫荧光等实验方法，证实NOTCH1蛋白配体活化后产生的胞内段(NICD1)可在大鼠及小鼠心脏内皮细胞、人脐静脉内皮细胞(HUVECs)及多种细胞系线粒体中富集。 

利用生物信息学工具和实验验证，NICD1可定位至线粒体基质，并与糖代谢关键酶PDH的亚基PDHB相互作用。分子生物学实验进一步证实这一蛋白质相互作用，并证实NICD1及靶向线粒体的mitoNICD1重组蛋白可以活化PDH，促进三羧酸(TCA)循环和线粒体呼吸。

既往研究曾发现，表达外源性NICD1可以在内皮细胞系中诱发EndMT。研究团队复现了这一现象，证实NICD1可以驱动EndMT过程，并发现构建的靶向线粒体的mitoNICD1重组蛋白也可驱动EndMT，而PDH抑制剂PS-48阻断了这一过程。更直接地，加入PDH激活剂DCA，则可模拟NOTCH1活化的代谢效果并启动EndMT，并且表现出剂量依赖性，提示线粒体代谢确实参与了NOTCH1对EndMT的调控过程。动物模型显示，通过DCA干预可以降低Notch1杂合突变小鼠子代的心脏畸形发生率。对先心病患者所携带的NOTCH1基因突变位点功能研究则发现，R2263Q (c.6788G>A)突变降低了NOTCH1蛋白与PDHB的结合能力，使其无法有效激活PDH。

综上，本研究证实NOTCH1可以激活线粒体代谢，且PDH活性对心脏发育的关键过程EndMT十分重要。同时在动物模型中初步发现，在妊娠期间补充PDH激活DCA，可以下降Notch1突变小鼠子代的心脏畸形发生率，这为特定遗传背景的先心病提供了潜在预防策略。

本文的共同第一作者是复旦大学附属儿科医院王婕博士、上海交通大学医学院附属新华医院赵瑞博士和中山大学肿瘤防治中心许沙副研究员，通讯作者为上海交通大学医学院附属新华医院赵健元教授、安徽医科大学陶辉教授、复旦大学附属儿科医院桂永浩教授和王凤教授。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54407-7