铜转运蛋白SLC31A1介导的铜代谢失衡通过SIRT1/HMGB1通路引发心力衰竭中的铜死亡（cuproptosis）

《Chemico-Biological Interactions》：The copper transporter protein SLC31A1-mediated copper metabolism imbalance drives cuproptosis through the SIRT1/HMGB1 pathway in heart failure

SLC31A1调控铜代谢失衡通过SIRT1/HMGB1轴抑制心肌细胞死亡改善心力衰竭。

　　

严立成|郑浩天|陈坤|方明晨|任飞|黄庭峰|蔡文龙|黄坤安|吴希杰|郑福珍

福建医科大学圣利临床医学院心血管外科，福建心血管疾病研究所，福州大学附属省立医院，福建省福州市

摘要

目的

铜（Cu）稳态的破坏可引发病理变化，包括心力衰竭（HF）。溶质转运蛋白家族31成员1（SLC31A1）是一种重要的Cu转运蛋白，影响细胞膜上的Cu吸收。本研究探讨了SLC31A1调节的Cu代谢在HF中的作用及其潜在机制。

方法

通过主动脉结扎建立HF大鼠模型，并使用多柔比星（DOX）诱导体外HF模型，随后分别给予过表达（oe）-SLC31A1、小干扰（si）-SLC31A1、铜螯合剂四硫钼酸盐、si-sirtuin 1（SIRT1）和oe-high mobility group box protein 1（HMGB1）进行处理。评估心脏功能、心肌损伤标志物含量、组织病理学变化以及心肌细胞死亡情况。通过CCK-8、乳酸脱氢酶（LDH）、RT-qPCR、试剂盒和Western blot检测细胞活力、死亡情况以及SLC31A1、SIRT1、Cu²⁺和铜死亡相关蛋白的水平。通过Co-IP、ELISA和环己亚胺实验测定HMGB1-SIRT1的相互作用以及HMGB1的乙酰化、释放和蛋白稳定性。

结果

HF大鼠中SLC31A1蛋白表达、Cu²⁺和铜死亡相关蛋白水平升高。SLC31A1敲低可缓解Cu代谢失衡，增加SIRT1表达，从而减少铜死亡。si-SLC31A1提高细胞活力，并降低LDH释放及Cu²⁺和铜死亡相关蛋白的水平，这种效果部分可被SIRT1抑制逆转。DOX增加HMGB1蛋白表达和释放。Co-IP证实了SIRT1-HMGB1的相互作用及HMGB1的乙酰化。SLC31A1介导的Cu代谢通过SIRT1调节HMGB1的乙酰化，进而影响其蛋白稳定性，从而调节DOX诱导的心肌细胞损伤。

结论

SLC31A1敲低可抑制Cu积累，上调SIRT1表达，并抑制HMGB1的乙酰化，从而降低HMGB1的稳定性和释放，最终减轻心肌损伤。

引言

心力衰竭（HF）是一种临床综合征，其特征是心脏泵血或充盈血液的能力下降，可能导致心输出量不足或由于代偿性神经激素刺激和左心室充盈压升高而出现持续的心输出量问题（1）。流行病学数据显示，HF正日益成为全球健康的负担，这归因于人口老龄化、心肌梗死后生存率的提高以及代谢性和肾脏疾病的发病率上升（2, 3）。尽管HF的治疗取得了显著进展，但再住院率和不良心脏事件的发生率仍然很高（4, 5）。因此，阐明新的治疗靶点和HF的分子机制对于优化治疗策略、降低死亡率及改善患者预后至关重要。 铜（Cu）是一种必需的微量元素，在铁代谢、神经递质合成、线粒体呼吸和能量代谢中起着核心作用（6）。据报道，HF患者的血清Cu浓度升高（7, 8, 9）。Cu代谢失调可导致细胞内Cu积累，引发铜死亡，进而在动物模型和患者中导致心血管损伤（10, 11, 12）。铜死亡是一种新发现的铜依赖性程序性细胞死亡形式，其机制涉及铜离子（Cu²⁺在 mitochondria中的积累、铁氧还蛋白-1介导的脂质化蛋白寡聚化以及三羧酸（TCA）循环的崩溃，从而导致细胞能量代谢衰竭（13, 14）。膳食中的Cu主要通过溶质转运蛋白家族31成员1（SLC31A1）进入细胞，这是一种高亲和力转运蛋白，可促进至少80%的Cu进入细胞（15）。值得注意的是，在急性心肌梗死（AMI）的大鼠模型中，SLC31A1的表达显著升高（16），该基因的异常表达会促进细胞内Cu²⁺积累，进一步加速铜死亡（17, 18）。然而，SLC31A1在HF期间调节铜死亡的具体机制尚不清楚。深入理解HF中铜死亡的调控机制可能有助于疾病管理。 Sirtuins（SIRTs）是一类依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的组蛋白去乙酰化酶，可在真核生物和原核生物中调节关键通路（19）。Sirtuin 1（SIRT1）是研究最广泛的sirtuin家族成员之一，参与细胞增殖和存活、染色质动态、能量代谢和DNA修复（20）。研究表明，SIRT1缺乏会加剧内质网应激引起的心脏损伤（21），而在病理条件下其激活可支持心肌细胞存活（22）。SIRT1通过核因子-κB（NF-κB）p65/miR-155/脑源性神经营养因子信号通路改善HF大鼠的心脏功能并减轻心肌细胞凋亡（23）。此外，Cu暴露会通过降低三磷酸腺苷（ATP）、细胞色素c氧化酶亚基4、TOM20、SIRT1和optic atrophy 1（OPA1）的水平以及上调Parkin来刺激线粒体功能障碍（24）。Bergenin通过增强组蛋白去乙酰化酶SIRT1的表达来缓解Cu引起的肝毒性（25）。然而，SIRT1是否调节铜死亡并从而促进HF的进展尚不清楚。 High-mobility group box 1（HMGB1）是一种高度保守的非组蛋白染色质结合蛋白，可调节细胞核内的染色质结构；当其释放到细胞外时，可作为促炎介质，影响细胞存活、自噬和凋亡（26）。越来越多的研究表明，包括心肌梗死和HF在内的多种心血管疾病患者的血清HMGB1水平升高（27, 28）。此外，HMGB1被认为是铜死亡引起的无菌炎症的关键免疫介质，其中Cu积累会刺激ATP耗竭、HMGB1磷酸化以及随后的细胞外HMGB1释放，从而放大炎症反应（29）。在生理条件下，SIRT1通过去乙酰化稳定HMGB1在细胞核内的保留，从而限制其细胞外释放，防止过度的炎症反应导致组织损伤。然而，在病理条件下，SIRT1下调会导致HMGB1的过度乙酰化和细胞外转移（30），进而激活NF-κB等炎症信号通路，加剧心肌炎症和细胞死亡（31）。因此，SIRT1-HMGB1轴的动态平衡对于维持心脏稳态至关重要，其失调与HF的进展密切相关。基于这些观察，我们提出假设：Cu转运蛋白SLC31A1可能通过调节铜稳态来下调SIRT1表达，从而促进HMGB1的乙酰化和随后的细胞外释放。这一级联反应可能加剧铜死亡，最终推动HF的进展。该假设旨在阐明SLC31A1/SIRT1/HMGB1轴在HF中的潜在作用，为理解铜代谢失调如何导致心脏功能恶化提供新的视角。

伦理声明

所有动物实验均遵循《实验室动物护理和使用指南》（美国国立卫生研究院[NIH]出版物编号8023，1978年修订版）进行，并得到了福州大学附属省立医院（IACUC-FPH-SL-20250126[0005）的审查和批准。

实验动物

共使用了72只特定无病原体（SPF）级别的成年Sprague-Dawley大鼠（雄性和雌性数量相等，体重……）

SLC31A1介导的Cu代谢失衡在HF大鼠的心脏组织中促进Cu积累和铜死亡

为了研究SLC31A1上调是否在HF大鼠中促进心脏Cu积累和铜死亡，我们首先通过结扎大鼠的左主动脉建立了体内HF模型。结果显示，与对照组相比，HF组LVEDD和LVESD显著增加，LVEF和LVFS降低（图1A，所有P<0.001），血清CK-MB和cTn水平升高（图1B，所有P<0.001），同时伴有心肌纤维紊乱和心肌细胞增大……

讨论

HF是一种日益严重的慢性疾病，对患者的死亡率和发病率以及医疗系统的成本都有重大影响（39）。先前的研究表明，铜死亡参与了HF的病理生理过程，并可能通过影响线粒体功能促进HF的发展（40, 41）。Cu代谢是一个复杂的过程，在细胞和器官层面受到多种分子的调节，其中Cu²⁺的吸收由……

CRediT作者贡献声明

郑福珍：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学、概念设计。 吴希杰：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学、概念设计。 陈坤：验证、实验研究。 方明晨：验证、软件使用。 严立成：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、正式分析。 郑浩天：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、正式分析。 蔡文龙：数据验证。 黄坤安：

伦理批准和参与同意

所有动物实验均遵循《实验室动物护理和使用指南》（美国国立卫生研究院[NIH]出版物编号8023，1978年修订版）进行，并得到了福州大学附属省立医院（IACUC-FPH-SL-20250126[0005）的审查和批准。

出版同意

不适用。

数据和材料的可用性

本研究的数据可应请求向相应作者获取。

利益冲突

作者声明没有需要披露的利益冲突。

资助

本研究未接受任何外部资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

不适用。