J Transl Med 武汉大学中南医院刘金平教授团队揭示HTRA1调控I型胶原内质网—高尔基体转运促进心肌纤维化的作用机制

扩张型心肌病(Dilated cardiomyopathy, DCM)是一种以心室扩大和心肌功能受损为主要特征的进行性心血管疾病，患病率约为1/2500，平均每年每100000人就有7人发病。心肌纤维化是DCM最主要的病理特征之一。当心肌经历损伤或者慢性炎症刺激时，心脏细胞尤其是心肌间质细胞，如心脏成纤维细胞，开始向心肌成纤维细胞转化，产生并分泌大量的胶原蛋白。细胞外过度的胶原沉积导致心肌组织僵硬和弹性丧失，从而影响心脏的正常收缩和舒张功能。当前研究在解析胶原蛋白的修饰、胞外切割和交联方面取得了重要进展，然而关于胶原蛋白从内质网到高尔基体的精确运输过程却知之甚少。探索胶原蛋白胞内运输的核心限速机制，并进行靶向干预将有助于逆转心肌纤维化。

HTRA1是丝氨酸蛋白酶HTRA家族的成员之一，广泛表达于人体各种组织和器官。最近研究发现，HTRA1可靶向细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)蛋白，包括聚集蛋白聚糖、软骨黏连蛋白和纤连蛋白。Satoko Yamawaki等人报道称HTRA1在疤痕成纤维细胞中显著上调，并通过增加成纤维细胞增殖和重塑疤痕基质促进疤痕纤维化进展。然而，这些发现仅仅提供了对HTRA1比较浅显的理解，并未揭示其调控ECM重塑的详细分子机制。

2024年3月22日，武汉大学中南医院刘金平教授团队在J Transl Med上发表了题为“HTRA1-driven detachment of type I collagen from endoplasmic reticulum contributes to myocardial fibrosis in dilated cardiomyopathy”的研究论文，揭示了HTRA1通过调控I型胶原蛋白(Col1)内质网—高尔基体转运影响扩张型心肌病心肌纤维化进展的分子机制，为扩张型心肌病心肌纤维化的研究与治疗提供了新的视野。

首先，作者运用多个DCM转录组数据库对HTRA1在DCM中的表达、与心肌纤维化相关性以及HTRA1相关功能富集进行了详细的分析，发现HTRA1显著高表达于扩张型心肌病患者，并展现出与心肌纤维化相关分析强大的相关性。作者进一步在24例临床扩张型心肌病样本和6例捐献正常心脏组织中对这一发现进行了验证，结果显示HTRA1蛋白及mRNA水平在DCM中显著上调，同时HTRA1表达与心脏核磁心肌纤维化指标Native T1、ECV以及LGE占比呈正相关；此外作者在阿霉素诱导的DCM小鼠中发现了同样的现象。AAV9-shHTRA1-GFP抑制心脏成纤维细胞中HTRA1表达可以有效防止扩张型心肌病心肌纤维化的发生。

进一步针对HTRA1功能GSEA富集分析显示，HTRA1与上皮间质转化、细胞外基质蛋白组织、I型胶原蛋白合成、内质网腔以及溶酶体腔等功能和通路相关，提示HTRA1可能参与了I型胶原蛋白的合成与转运。作者在敲低HTRA1以后，使用溶酶体降解抑制剂(CQ)和蛋白酶体抑制剂(MG132)抑制Col1降解，而后分别提取了心肌成纤维细胞内质网和高尔基体蛋白进行Western blot检测，结果显示沉默HTRA1上调了内质网中Col1蛋白表达，降低了高尔基体中Col1蛋白表达。此外，免疫荧光检测显示HTRA1沉默组Col1与细胞膜(Na+/K+ ATP)的共定位显著减少，而与内质网(GRP94)共定位明显增强。相反的是，抑制HTRA1表达减弱了Col1与高尔基体(GM130)的共定位水平。总之，这些结果表明，HTRA1参与了Col1内质网—高尔基体转运，抑制HTRA1则将Col1阻滞于内质网腔内。作者进一步使用多个在线质谱数据发现SEC16A深度参与了HTRA1调控Col1内质网—高尔基体转运的过程，并进行了相关验证。最终发现HTRA1可通过招募SEC16A促进内质网出口位点的形成从而促进Col1分泌，进而影响心肌纤维化进展。

考虑到抑制HTRA1会将Col1阻滞于内质网腔内，作者进一步探讨了内质网腔内Col1的降解机制。通过使用一系列降解抑制剂进行验证，作者最后敲定抑制HTRA1以后滞留于内质网腔内的Col1主要通过溶酶体降解，而驱动这一过程的核心步骤依赖于内质网应激反应诱导的内质网自噬的发生，作者最后使用内质网自噬腺病毒(ssRFP-GFP-KDEL)内质网应激抑制剂进行了挽救实验，进一步论证了上述结果。

综上，本研究发现HTRA1通过募集SEC16A促进内质网出口位点(ERES)的形成，在调节胶原运输和分泌方面发挥着至关重要的作用。此外，研究结果强烈表明，靶向胶原转运分泌的限速步骤，如HTRA1介导的I型胶原蛋白内质网—高尔基体转运过程，可以有效减轻扩张型心肌病心肌纤维化，改善心脏功能。本研究为I型胶原合成和分泌的精确分子机制提供了新的见解，也为治疗扩张型心肌病心肌纤维化提供了一种有前景的干预策略。

该研究由武汉大学中南医院心血管外科刘金平教授团队独立完成，刘金平教授和周先吾博士为共同通讯作者。武汉大学中南医院石红杰博士、蔡杰教授以及袁铭硕士为本文共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金、心脏大血管外科微创诊疗湖北省工程研究中心、武汉市结构性心脏病微创诊疗临床医学研究中心项目和平台资助。

原文链接：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10958933/