运动通过 FUNDC1-依赖性线粒体自噬保护老龄小鼠免受冠状动脉内皮衰老

运动通过 FUNDC1-依赖性线粒体自噬保护老龄小鼠免受冠状动脉内皮衰老

椎间盘疾病(IVDD)是一种脊柱退行性疾病。由于长时间站立和肥胖导致的椎间盘(IVD)机械超负荷已被广泛认为是 IVDD 的重要原因,而髓核(NP)承担了 75% 的压力。然而,机械超负荷诱导 IVDD 的具体机制尚未阐明。

谷胱甘肽过氧化酶4GPX4)是主要的脂质过氧化物清除剂,在铁死亡中起着关键的调节作用。据报道,由机械超负荷激活的 Piezo1 离子通道导致的钙内流增强诱导 GPX4-调控的铁死亡。已发现位于内质网膜(ER)的 Piezo1 的激活通过诱导ER的钙离子释放来增加细胞内游离钙。然而,机械超负荷是否会同时激活位于质膜和内质网膜上的 Piezo1 离子通道以升高 NP 细胞内游离 Ca2+ 的水平,从而导致 GPX4 调控的铁死亡仍有待确定。

硒蛋白KSelK)是一种ER蛋白,已被证明与内质网应激和细胞抗氧化性有关。硒(Selenium)是一种必需的微量营养素,参与了抗氧化应激的保护。补充硒可以上调各种硒蛋白的表达,并且在滤泡辅助性T细胞中证明了 Selenium-GPX4 轴对铁死亡的保护作用。然而,目前还没有关于补硒是否可以通过上调 NP 细胞中的 SelK GPX4 来减轻铁死亡的报道。

最近,在山东大学齐鲁医院骨科、病理科及美国布莱根妇女医院骨科的一项联合研究中,计划探索机械超负荷是否通过激活位于质膜和内质网膜上的 Piezo1 离子通道来阻碍 GPX4 的产生,从而导致 NP 细胞中的铁死亡。在上述过程中,研究员将确定促进 ER 应激的因素以及ER应激在铁死亡中的具体作用,此外,将验证补充硒是否可以通过上调 GPX4 SelK 来减轻机械超负荷诱导的 NP 细胞铁死亡。研究成果发表在 Cellular and Molecular Life Sciences 期刊题为“Selenium-SelK-GPX4 axis protects nucleus pulposus cells against mechanical overloading-induced ferroptosis and attenuates senescence of intervertebral disc”

运动通过 FUNDC1-依赖性线粒体自噬保护老龄小鼠免受冠状动脉内皮衰老

首先,实验评估了自然增龄和衰老条件下 FUNDC1 表达的变化。8周龄幼鼠冠状动脉组织中的 FUNDC1 蛋白水平随着年龄的增长逐渐降低。18 月龄的老年小鼠 FUNDC1 水平显著降低(图1 AB),促衰老的炎症因子 IL-6 TNF-α mRNA 水平显著增强(图1 C)。同样,在衰老的内皮细胞中也观察到 FUNDC1 的表达降低,IL-6 TNF-α 水平较高(图1 F)。

进一步构建 FUNDC1 内皮特异性敲除(Fundc1fl/Y/Tek-Cre)小鼠。ECs 中的 FUNDC1 缺失损害了 ACh 诱导的血管舒张,但不损害 SNP,表明 FUNDC1 负责维持冠状动脉中正常的内皮依赖性血管舒张功能(图1 G)。MI/R 之后,FUNDC1 基因敲除小鼠中积累的 Gr-1+ 中性粒细胞明显增加(图1 H),表明在 MI/R 损伤后中性粒细胞迁移和内皮通透性增加。eNOS 磷酸化和 VEGF 表达降低以及 ET-1 上调也表明 FUNDC1 敲除小鼠的内皮功能障碍(图1 IJ)。重要的是,EC 特异性 FUNDC1 敲除加重了 MI/R 后心脏收缩功能降低(图1 K)。这些数据表明,低 FUNDC1 表达导致冠状动脉功能障碍和 MI/R 损伤恶化。

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1 随着年龄的增长,FUNDC1水平降低。

接下来,为了阐明运动对年龄相关的 FUNDC1 下调和冠状动脉功能的影响,研究者对比了接受4 周规律运动和久坐不运动的老年小鼠。结果表明,FUNDC1 蛋白在运动小鼠的冠状动脉组织中显著上调,且 ACh 诱导的冠状动脉扩张显著增强,表明运动诱导的内皮依赖性血管舒张得到改善。在进行 MI/R 后,运动的老年小鼠的 Gr-1+ 中性粒细胞迁移减少,且炎症标志物(如IL-6IL-8TNF-α)和粘附分子(如VCAM-1ICAM-1)等均显著降低,表明运动保护 MI/R 在衰老中诱发的微血管高通透性。此外,老年运动小鼠的 eNOS 磷酸化恢复,ET-1 水平降低,且缺血危险区的血管生成显著增加,左室收缩功能有所增强,也减轻了 MI/R 后的心脏损伤。这些数据表明,运动可防止随着年龄增长而下调的 FUNDC1 和冠状动脉功能障碍,并减少衰老心脏 MI/R 损伤的恶化。

为了检查运动对内皮衰老和功能的作用,对运动或久坐的老龄小鼠原代心脏微血管内皮细胞(CMECs)进行 SA-β-gal 染色。结果表明,老年小鼠 SA-β-gal 活性明显上升,而运动显著降低了这些水平,且逆转了衰老标志物 p21 p53 在老年 CMECs 中的水平。在老年小鼠 CMECs 中观察到相当高的衰老程度,但运动显著逆转了 CMECs 的衰老,改善了 CMECs 的血管生成能力。这表明,运动缓解了内皮衰老和功能障碍。

进一步地,实验探讨了线粒体损伤是否与衰老相关的内皮功能障碍有关。在老龄小鼠 CMECs 中观察到堆积的线粒体 ROS 和异常的线粒体膜电位,与久坐的小鼠相比,在运动老龄小鼠的 CMECs 中这些效应被减轻(图2 AB)。老龄小鼠的 CMECs 在用 FCCP(一种线粒体自噬诱导剂)处理时表现出线粒体自噬受损。衰老导致整体红色 mt-Keima 荧光显著降低(图2 CD),线粒体 LC3-II 水平降低,p62 水平升高,但这些效应通过运动逆转(图2 EF)。重要的是,衰老 CMECs 中受损的线粒体自噬是被运动保留(图2 C-F)。老龄小鼠 CMECs 中线粒体自噬受体 FUNDC1 的水平也被证实较低,并且在运动老龄小鼠中恢复其表达(图2 GH)。这些数据表明,运动减少了衰老 CMECs 的线粒体损伤并恢复了线粒体自噬。

运动通过 FUNDC1-依赖性线粒体自噬保护老龄小鼠免受冠状动脉内皮衰老

2 运动可减少衰老CMECs的线粒体损伤并恢复线粒体自噬。

为了验证 FUNDC1 在运动诱导的冠状动脉保护中的作用,实验对 Fundc1fl/Y Fundc1fl/Y/Tek-Cre 小鼠进行为期4周的定期运动训练。结果发现,运动改善 Fundc1fl/Y 小鼠 MI/R 后内皮细胞屏障功能、增强血管新生,改善心脏功能。然后在内皮细胞中过表达 FUNDC1,观察到 FUNDC1 过表达显著降低了 CMECs SA-β-gal 活性,表明过表达的线粒体自噬受体 FUNDC1 逆转了内皮细胞衰老。因此,FUNDC1 过表达改善了 EC 功能,如管形成、迁移和增殖能力。此外,与运动的保护作用一致,FUNDC1 过表达增强了 ACh 刺激的冠状动脉舒张、保护内皮屏障的完整性,恢复了老龄小鼠的 eNOS 磷酸化和 VEGF 表达,并降低了 ET-1 水平。重要的是,AAV-FUNDC1 治疗显著改善了 MI/R 后的心脏收缩功能。这说明,FUNDC1 过表达逆转了内皮衰老和功能障碍。

层流诱导的层流剪切应力(LSS)增加是运动诱导的内皮适应的重要机制。研究者利用层流装置来评估运动过程中 FUNDC1 基因表达的调控机制,并潜在鉴定启动 FUNDC1 转录的转录因子。生物信息学预测表明,FUNDC1 含有 PPARγ 反应元件 (PPRE)(图3 A)。先前的研究表明,层流激活了 ECs 中的 PPARγ。因此,实验评估了层流是否以 PPARγ 依赖性方式增强了 CMECs FUNDC1 基因的表达。ChIP 检测表明,PPARγ CMECs 中的 FUNDC1 启动子区域相互作用(图3 B)。为了验证这一发现,用 PPARγ 特异性拮抗剂 GW9662 预处理 CMECs,并暴露于 20 dyne/cm2 的层流剪切力中持续6小时。在 GW9662 处理下,层流诱导的 LSS 增加了 CMECs PPARγ DNA-结合活性,抑制了流动诱导的 PPARγ 活性(图3 C)。此外,GW9662 显著减弱了 FUNDC1 的表达,但在静态条件下没有,表明 PPARγ 参与剪切力诱导的 FUNDC1 基因表达(图3 D)。此外,与久坐小鼠相比,运动的老年小鼠血管组织中的 PPARγ 表达和活性增强(图3 EF)。这些数据表明,PPARγ CMECs 中负责层流调控的 FUNDC1 表达。

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3 CMECsPPARγ与层流增强的FUNDC1基因表达有关。

总之,该研究表明,上调的 FUNDC1 和恢复的线粒体自噬有助于减少衰老过程中运动诱导的内皮衰老和 MI/R 损伤,运动过程中 PPARγ 在调节 FUNDC1 表达中起重要作用。抑制 FUNDC1 本身会导致内皮衰老,并消除运动对内皮细胞和 MI/R 损伤的保护作用。鉴于这些发现,FUNDC1 可能是一个有希望的靶点,用于维持内皮线粒体稳态、防止内皮衰老,并可能通过血管内皮与心脏组织机制的“串扰”减少 MI/R 损伤(图3 G)。

参考文献:Ma L, Li K, Wei W, Zhou J, Li Z, Zhang T, Wangsun Y, Tian F, Dong Q, Zhang H, Xing W. Exercise protects aged mice against coronary endothelial senescence via FUNDC1-dependent mitophagy. Redox Biol. 2023 Jun;62:102693. doi: 10.1016/j.redox.2023.102693. Epub 2023 Apr 1. PMID: 37030149; PMCID: PMC10113862.

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37030149/

图片来源:所有图片均来源于参考文献

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作者 naturethink
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