摘要：在哺乳动物中，出生后利用脂质作为主要能量来源会导致心肌细胞细胞周期停滞和再生能力丧失。除了提供能量，脂质组成对细胞和机体健康也至关重要，但其在心脏再生中的作用尚不清楚。

在哺乳动物中，出生后利用脂质作为主要能量来源会导致心肌细胞细胞周期停滞和再生能力丧失。除了提供能量，脂质组成对细胞和机体健康也至关重要，但其在心脏再生中的作用尚不清楚。

2024年中山大学曹楠教授团队在《Cell Metabolism》期刊（中科院1区TOP，IF=29.0）上发表了题为“Sphingolipid Metabolism Controls Mammalian Heart Regeneration”的论文。该研究首次揭示鞘脂代谢途径在心肌增殖与心脏再生修复中关键作用及机理，建立了通过干预鞘磷脂代谢靶点促进心梗治疗的新策略。

亮点

损伤可诱导新生小鼠心脏鞘脂代谢的动态变化

SphK2通过核S1P依赖性组蛋白乙酰化促进CM增殖

SphK1 的耗竭限制了 S1P 对 CFs的自分泌激活并促进再生

引入新生儿SphK1/SphK2模式可诱导成人心脏再生

名词解释

CM，cardiomyocyte，心肌细胞

CFs，ardiac fibroblasts，心脏成纤维细胞

S1P，sphingosine 1-phosphate，1-磷酸鞘氨醇

SphK，sphingosine kinase，鞘氨醇激酶

SphK1 和 SphK2 是产生相同鞘脂代谢物 S1P的同工酶，它们对哺乳动物心脏再生的调控方式不同。SphK2 通过核 S1P 依赖性组蛋白乙酰化调节促进心肌细胞增殖和再生，而 SphK1 则通过 S1P 自分泌机制阻碍心脏成纤维细胞的再生。

该研究通过对新生乳鼠心脏进行脂质组学和鞘脂组学检测，发现在心肌损伤后鞘脂代谢通路发生了最显著的变化，展示了新生儿心脏损伤后广泛的鞘脂代谢重塑，其中核心鞘脂代谢物1-磷酸鞘氨醇（Sphingosine 1-phosphate, S1P）的水平上调最为明显。进一步的研究显示S1P 及其合成酶SphK1与SPhK2在调节哺乳动物心脏再生过程中发挥核心作用。SphK1 和SphK2 在心脏发育过程中具有相反的表达模式，幼年心脏损伤会触发SphK2 在心肌细胞中的激活，从而通过在细胞核内生成S1P 抑制组蛋白去乙酰化酶HDAC1/2复合物，刺激内源心肌细胞重新进入细胞周期，进而促进心脏再生。而SphK1在成年心脏成纤维细胞中通过S1P自分泌机制促进心脏纤维化，抑制梗死心脏再生修复。通过在成年小鼠心脏中重建新生乳鼠SphK1/2 表达模式，可以刺激成年心肌细胞进入细胞周期分裂，重新唤醒了心脏内源再生潜能。该研究改写了脂代谢是哺乳动物心脏再生不利因素的传统观点，首次揭示了S1P介导的脂质代谢重塑对于心脏再生修复的重要意义。通过微调每种 SphK 同工酶的活性，开发出了一种疗法，它能同时促进心肌修复和限制纤维化瘢痕，从而使梗死的成人心脏再生。

新生儿心脏再生过程中的鞘脂代谢动态调控

为研究与新生儿心脏再生相关的脂质代谢变化，通过液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对出生后第 1 天（P1）小鼠心尖切除术（AR7）或假手术（Sham7）后 7 天的心室进行了脂质组学和鞘脂分析（图 1A）。共鉴定出1,388种代谢物，并按照脂质骨架将其分为五类。通过 RNA 测序（RNAseq）分析发现，在受到 AR 损伤的新生儿心脏中或在胚胎和出生后心脏发育过程中，鞘脂代谢基因表达的分析进一步支持了这种不同的鞘脂重塑。与年龄匹配的假对照组相比（图 1D），在 AR 样本的不同时间点，或在心脏发育过程中（图 1E），GO（Gene Ontology）分析中"鞘脂代谢"的许多基因都有不同程度的表达。这些数据表明，鞘脂代谢可能与新生儿对心肌损伤的再生反应有关。

(A) 实验时间表示意图。P0/P1：出生后第 0 天或第 1 天；AR3/AR7：心尖切除术（AR）后 3 天或 7 天；IF：免疫荧光染色；WB：Western 印迹；LC-MS：液相色谱-质谱联用技术。(B和C）LC-MS显示的AR7小鼠心脏与假手术对照心脏（Sham7）相比的脂质组特征（n = 3个生物重复）。(D和E）RNA测序（RNA-seq）分析AR（D）或心脏发育（E）期间心脏样本中鞘脂代谢基因本体（GO）项中的基因。(F）四种主要鞘脂代谢物的示意图。(G）基于 LC-MS 的靶向代谢组学检测到的 Sham7 和 AR7 心脏中代谢物的相对丰度（除 d18:1/18:0 异构体外，鞘磷脂和神经酰胺的 n = 4 个生物重复；鞘磷脂、鞘磷脂-1-磷酸[S1P]以及鞘磷脂和神经酰胺的 d18:1/18:0 异构体的 n = 8 个生物重复）。

讨论

神经酰胺和 S1P 等鞘脂类物质在多种心血管疾病的发病机制中发挥着重要作用，尤其是心肌梗死诱发的缺血性心脏损伤。然而，目前对 S1P 在心肌梗死后缺血心脏中所起作用的了解主要局限于其通过激活 SphK1/S1P/S1PR 信号轴而产生的心脏保护作用。虽然 SphK2 与 SphK1 使用相同的生理底物并产生相同的产物，但其功能似乎更为复杂，既能促进癌细胞凋亡，也能抑制癌细胞凋亡。与 SphK1 相比，SphK2 在心脏中的确切功能尚不明确。

SphK2 是 CM 增殖的核心触发因子，对保持新生儿再生能力至关重要。与再灌注损伤不同的是，SphK2 在心肌梗死后改善成人心脏性能并非归因于心脏保护机制。随着时间的推移，心脏结构和功能重建的进展有力地表明，SphK2 在心肌梗塞后刺激了再生反应，而不是保护作用。此外，SphK2 诱导的功能益处从心肌梗死后的亚急性期（2 周）而非急性期（AV9-SphK2 可抵消出生后心肌 SphK2 水平的下降，成功地保留了在发育过程中通常会减少的可分裂 CM 池和心脏再生潜能，而不会影响正常心脏功能。因此，这诱导了一种持久的记忆效应，当成年小鼠出生后立即用 AAV9-SphK2 处理并发生心肌梗死时，其再生能力会增强。

这些结果揭示了 SphK2 在协调综合代谢和转录程序中的新作用，该程序可保护 CM 分裂，并将成体心脏转化为再生状态。结果表明损伤诱导的脂质代谢物直接影响心脏再生过程中的表观遗传调控。它为理解心脏再生能力如何在环境、新陈代谢和基因调控之间进行协调提供了一个概念框架。

心脏再生反应涉及内在反应基质（如 CMs 和 CFs）和外部刺激（如损伤），外部刺激会产生许多促有丝分裂分子，如成纤维细胞生长因子（FGFs）和表皮生长因子（EGF）。尽管暴露于相同的旁分泌环境，新生儿 CM 和 CF 对损伤诱导的有丝分裂信号表现出不同的反应，导致 CM 有效更新而 CF 不过度增殖。新生儿心脏将相同的信号输入转化为 CMs 和 CFs 的不同反应，从而实现协调的无疤痕再生（在成人中存在缺陷）的机制仍是该领域的一个未解之谜。在本文中的发现指出了一个模型，该模型可通过对 SphK1 和 SphK2（同一种促有丝分裂代谢物的两种同工酶）的空间和时间调控来部分解释这一谜团。与成人心脏相比，新生儿心脏高表达 SphK2，而非 SphK1，只有心肌 SphK2 水平在 AR 后变得更高。因此，新生儿心肌损伤会触发 SphK2 依赖性 S1P 的产生和 CM 的强大增殖反应，但由于控制 CF 激活的 SphK1 丰度较低，因此几乎没有纤维化。相反，成人心脏中这些酶的表达模式则相反。MI 诱导的有丝分裂原（如 FGFs 和 EGF）可激发细胞外信号调节激酶（ERK）磷酸化并激活 SphK148 和 SphK2。与此相反，由于 SphK1 的高丰度，心肌缺血损伤会触发一连串的促有丝分裂信号转导事件，并诱导成体 CFs 产生强大的纤维化反应。

这项研究结果建立了一个概念框架，用于理解哺乳动物心脏内各种细胞类型的时空代谢调控与复杂再生反应之间错综复杂的协调，从而提供了解释哺乳动物心脏如何关闭心脏再生能力的方法。

总之，这项研究颠覆了传统观念，即认为增强脂质利用对哺乳动物心脏再生具有负面影响。研究确立了S1P重塑在脂质代谢中的关键作用，这一过程对心脏再生至关重要。本研究提出的转化治疗策略，针对S1P在时间和空间上的变化与心脏再生之间的相互作用，有望推动治疗性修复受损人类心肌的进程，并为最终治愈心衰开辟新途径。

参考文献

Ji X, et al. Sphingolipid metabolism controls mammalian heart regeneration. Cell Metab. 2024 Apr 2;36(4):839-856.e8. doi: 10.1016/j.cmet.2024.01.017.

来源：小蒋的科学讲堂