文章标题：Defects in the Proteome and Metabolome in Human Hypertrophic Cardiomyopathy
发表期刊：Circulation-Heart Failure
影响因子：9.7
组学平台：Label free定量蛋白质组学+代谢组学
肥厚型心肌病(HypertrophicCardiomyopathy, HCM)是一种以心肌肥厚为特征的原发性心肌疾病，每500人中就有1人受到影响，是导致心力衰竭和猝死的主要原因。很多研究者付出了巨大的努力来探究HCM的病理机制，并通过细胞和动物模型对疾病发病机制产生了非常有价值的见解，但这些模型并不能概括人类HCM的特征。有研究表明能量代谢与HCM有关，但参与HCM疾病发生和进展的关键机制尚不清晰。本研究对接受间隔肌切除术的HCM患者的心脏样本进行了配对Label free定量蛋白质组学和靶向代谢组学分析，以确定人类HCM代谢重编程的性质和程度，及其对收缩功能的潜在影响。
对接受间隔肌切除术的HCM患者的心脏样本进行了配对Label free定量蛋白质组学分析，共鉴定出509种蛋白质。经多重比较调整后，与对照组相比，HCM不同亚型组间共有差异蛋白57种（图1）。值得注意的是，MYBPC3截断变异的患者样本中，肌球蛋白结合蛋白C减少了40%，其它结合蛋白的差异变化并不显著。如 α-肌球蛋白亚型(MYH6)的丰度降低了96％，但这种亚型在正常心脏中仅占总肌球蛋白的2％。
HCM和对照样品之间的蛋白质丰度存在显著差异，包括与线粒体功能、心脏燃料代谢和能量代谢相关蛋白质的减少。如催化长链脂肪酸β-氧化的关键酶：长链酰基辅酶A脱氢酶(ACADVL)和羟酰基辅酶A脱氢酶(HADHA)，以及电子传递酶、黄素蛋白脱氢酶(ETFDH)。此外，参与能量转导的肌酸激酶M型减少了43%，均反映了肥厚型心肌病存在ATP生成受损的潜在可能性。
图1. HCM和对照组的蛋白质组学结果
为了解蛋白质变化对代谢过程产生的影响，使用靶向定量代谢组学平台进行进一步分析。共鉴定出104种代谢物，其中59种代谢物，至少在1个HCM组中与对照存在显著差异。主成分分析显示出HCM群体之间聚类的相似性，且均与对照组显著区分开（图2）。
图2. HCM和对照组心脏的代谢组学分析
与对照组相比，HCM组中最显著的差异是线粒体脂肪酸氧化中间产物的统一减少，尤其是长链酰基肉碱，减少了约 70% 至 95%（图2 B和图3）。参与长链脂肪酸氧化的相关酶的表达，如 ACADVL、HADHA 和 ACAA2 ，与几种长链酰基肉碱呈正相关。相反，酮体3-羟基丁酸、乳酸和3种支链氨基酸（BCAAs=亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）在HCM组中显著升高（图2 B、图3 和图4）。与对照组相比，HCM组中柠檬酸增加，富马酸减少，除此之外，大部分三羧酸循环（TCA循环）中间产物在不同组别间没有显著差异（图2 B）。非支链氨基酸中的天冬氨酸、甲硫氨酸和丝氨酸在HCM组中减少，瓜氨酸在HCM组中增加。
另外，HCM样品中的三核苷酸ATP、CTP和UTP的丰度均显著降低，磷酸肌酸水平对比对照组下降超过90％，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸及其磷酸衍生物，NADP和NADPH也显著减少，而它们的前体物烟酰胺和烟酰胺单核苷酸(NMN)增加（图2 B和图3）。此外，提供乙酰基团给柠檬酸循环进行氧化以产生ATP的中心分子乙酰辅酶a，也显著减少。综上结果，共同揭示了能量代谢改变在肥厚型心肌病发病机制中的重要作用。
图3. HCM和对照组心脏中代谢物含量变化
为了确定 HCM 和对照组样本之间 ATP 含量的差异是否会影响心脏力学特性，研究以ATP浓度为变量，测量了人体心肌中交联桥解离的动力学（图4）。在最大Ca2+ 激活条件(pCa 4.8)下，肌肉长度的快速拉伸（图4 A）会导致张力快速增加。对比HCM和对照组样本中ATP含量的平均值和范围，预计HCM心脏中ATP含量的减少会导致交联桥解离速度相比对照组心脏降低约10％，暗示了ATP含量的差异可能影响心脏的力学特性。
左心房大小可以作为舒张功能损害程度的敏感指标，同时也是预后评估的一个标志。研究发现，在每位患者进行心肌切除术前进行的超声心动图检查中，左心房大小与心脏样本中的ATP含量呈现负相关。这暗示了ATP的可用性与整个心脏的舒张功能损害之间存在一定的关系。
图4. 不同ATP浓度下肌球蛋白交联桥解离速度
为确定人类HCM代谢重编程的性质和程度，本研究基于接受间隔肌切除术的HCM患者的心脏样本进行了配对定量蛋白质组学和靶向代谢组学分析。蛋白质组学分析结果显示，HCM样本中细胞外基质蛋白和多种Z-disc/中间丝蛋白的丰度增加，许多蛋白在感知生物力学应力、信号传导以及肌原纤维修复和稳定方面发挥着重要作用。通过将蛋白质组学和代谢组学分析相结合，发现与对照样本相比，来自HCM患者心脏样本中的一些心脏蛋白质与代谢变化相关。重要的是，这些缺陷与基因型、年龄或性别无关，HCM中的能量缺陷部分归因于肌节内增加的ATP消耗。以ATP浓度为变量，测量了人体心肌中交联桥解离的动力学，观察到HCM心脏中ATP含量的减少会降低交联桥解离速度，这意味着ATP可用性对心肌功能的直接影响可能导致松弛受损。此外，心脏ATP含量与左心房大小呈负相关，表明ATP含量与舒张功能障碍程度之间存在相关性。
综上所述，与对照组相比，HCM患者组显示出核苷酸含量严重不足，脂肪酸氧化能力显著降低，酮体和支链氨基酸增加。这些结果对未来设计用于治疗HCM的代谢调节剂具有重要的治疗意义。
