Atf3：调控女性线粒体心肌病进程的关键 “开关”—— 空间与单细胞转录组学新发现

《SCIENCE ADVANCES》：Atf3 controls transitioning in female mitochondrial cardiomyopathy as identified by spatial and single-cell transcriptomics

线粒体疾病（MD）中氧化磷酸化缺陷导致心脏受累，预后不佳，从代偿到失代偿的机制不明。研究人员通过对线粒体心肌病（MCM）患者心脏进行空间转录组学和单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq），并结合小鼠模型研究，发现 Atf3 在女性 MCM 进展中起关键作用，为疾病研究和治疗提供新方向。

　　线粒体，这个被誉为细胞 “能量工厂” 的微小细胞器，一旦出现故障，就可能引发一系列严重的健康问题，线粒体疾病（MD）便是其中之一。MD 是由于氧化磷酸化（OXPHOS）异常，导致代谢不足而引发的全身性疾病，其遗传多样性高，发病率约为 1/4000。线粒体心肌病（MCM）作为 MD 的一种，心脏受累情况显著影响患者预后，然而目前却缺乏有效的特异性治疗方法，诊断也颇具挑战，且疾病从代偿到失代偿的转变机制尚不清楚。这些难题如同层层迷雾，笼罩着 MD 的研究与治疗领域，亟待突破。

在这样的背景下，国外研究人员勇敢地向这些难题发起挑战。他们开展了一项深入的研究，旨在揭开 MD 进展机制的神秘面纱，探寻潜在的治疗靶点。研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》杂志上。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种先进技术。在样本方面，他们获取了一位 9 个月大女性 MCM 患者心脏组织，以及心脏特异性 Ndufs6 基因敲低（FS6KD）的 MCM 小鼠模型不同疾病阶段的心脏组织。技术方法上，主要采用了空间转录组学和单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）技术，同时还运用了基因编辑（如 CRISPR-Cas9 技术构建 Atf3^-/-FS6KD 小鼠）、免疫组织化学染色、蛋白质免疫印迹（Western blotting）、酶活性分析等技术进行深入研究。

研究结果如下：

1. 人类患者心肌细胞向疾病状态转变：对 MCM 患者心脏组织进行空间转录组学和 snRNA-seq 分析。通过苏木精 - 伊红（H&E）染色发现心脏组织存在异质性，分为轻度、进展期和严重受损区域。空间转录组学分析揭示不同区域基因表达差异，其中激活转录因子 3（ATF3）在轻度区域上调，且与心力衰竭标志物脑钠肽（NPPB）呈负相关。snRNA-seq 分析表明 ATF3 主要在心肌细胞中表达，且通过伪时间轨迹分析发现，ATF3 阳性心肌细胞可能代表受损较轻、仍有治疗干预空间的细胞，暗示 ATF3 可能在疾病转变中发挥作用。
2. MCM 小鼠模型心肌细胞代谢补偿及疾病进展：选用 FS6KD 小鼠模型，发现雌性小鼠疾病进展缓慢，适合用于研究疾病转变。对不同疾病阶段的雌性小鼠心脏组织进行 snRNA-seq 分析，结果显示早期阶段心肌细胞代谢调节相关基因发生动态变化，过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 共激活因子 1-α（Ppargc1a）在早期上调，后期下调；而 Nppb 则在后期上调。这表明早期心肌细胞对代谢缺陷的补偿机制未能阻止疾病进展。
3. 小鼠伪时间轨迹分析揭示 Atf3 在 MCM 转变中的作用：对早期 FS6KD 小鼠心肌细胞进行伪时间轨迹分析，发现一条由代偿到失代偿的动态轨迹。Atf3 在轨迹中间阶段上调，且其表达模式与 Ppargc1a 和 Nppb 相关。Atf3 作为转录调节因子，可能影响心肌细胞向功能障碍转变的命运。
4. FS6KD 心脏中 Atf3 表达心肌细胞与 OXPHOS 基因的关系：通过免疫染色和光隔离化学技术对 FS6KD 小鼠心脏进行研究，发现 Atf3 表达的细胞多为心肌细胞，且 Atf3 高表达的心肌细胞中 Ppargc1a 表达降低，OXPHOS 基因受抑制。荧光素酶报告基因实验证实 Atf3 可抑制 Ppargc1a 表达，从而影响代偿机制，触发疾病转变。
5. FS6KD 心肌细胞中 ISR 激活与 Atf3 的关系：研究发现综合应激反应（ISR^mt）在雌性 FS6KD 小鼠疾病中期激活，而 Atf3 表达先于 ISR^mt。这表明 Atf3 在 MCM 疾病进程中的作用不同于其他 Atf 家族成员，具有独特性。
6. Atf3 基因敲除对雌性 FS6KD 小鼠心脏功能的影响：构建 Atf3^-/-FS6KD 小鼠，经超声心动图分析发现，Atf3 基因敲除可改善雌性小鼠心脏功能，延缓心力衰竭进展，但对心脏纤维化无明显影响。RNA 测序（RNA-seq）显示，Atf3 缺失可阻止心肌细胞向受损状态转变，抑制 ISR^mt激活。这表明 Atf3 在雌性 MCM 进展中起关键作用，有望成为治疗靶点。

综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。研究人员通过对 MCM 患者和小鼠模型的研究，发现 Atf3 在雌性 MCM 进展中起着关键的调控作用，它作为一个关键 “开关”，控制着心肌细胞从代谢补偿到失代偿的转变。这一发现为理解 MD 的发病机制提供了新的视角，也为开发针对女性 MCM 的治疗策略提供了潜在的靶点。虽然研究存在一定局限性，如仅分析了一位患者心脏和一种小鼠模型，但研究结果仍为 MD 的研究和治疗开辟了新的道路，有望推动该领域进一步发展，为众多 MD 患者带来新的希望。