氧化磷酸化通过调控心肌细胞再分化驱动鱼类心脏长期再生新机制

本研究针对心脏再生过程中代谢重编程的作用机制，通过比较不同斑马鱼品系和墨西哥丽鱼，发现氧化磷酸化（OXPHOS）在心肌细胞增殖停止后通过苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（MAS）被激活，这一过程对心肌细胞再分化和长期心脏再生至关重要。研究结果挑战了“OXPHOS抑制再生”的传统认知，为心肌梗死后的心脏修复提供了新靶点。

　　

心脏再生能力在物种间存在显著差异。哺乳动物（包括人类）的心脏再生能力极其有限，而斑马鱼等物种却能完全修复损伤的心肌组织。这种差异被认为与心肌细胞代谢方式的物种特异性差异有关：哺乳动物心肌细胞生活在富氧环境中，主要依赖氧化磷酸化（OXPHOS）产生能量，但这个过程也会产生活性氧（ROS），导致DNA损伤；而冷血鱼类心脏输出量较低，心肌细胞特化程度较低，主要通过糖酵解获得能量，从而保持了增殖能力。

尽管多项研究证实糖酵解在鱼类心脏再生中的有益作用，但氧化代谢在再生过程中的作用仍不明确。虽然一些研究提示OXPHOS在心脏再生过程中存在上调现象，但其在7天损伤峰值期（与心肌细胞增殖高峰重合）的增加似乎有悖常理，留下了许多关于其在再生中作用的未解之谜。

在这项发表于《Nature Cardiovascular Research》的研究中，研究人员通过种内和种间比较方法，揭示了OXPHOS在心脏再生中的关键作用。他们发现不同野生型斑马鱼品系对心脏冷冻损伤的再生反应存在差异，通过相关性分析将OXPHOS确定为长期再生结局的正向调节因子。

研究团队采用了多种关键技术方法：通过对七种斑马鱼品系（AB、NA、SAT、TL、TU、WIK和KCL）进行心脏冷冻损伤模型建立和长期观察；使用批量RNA测序和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析基因表达谱；通过Seahorse分析仪测量氧消耗率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR）评估代谢功能；利用¹³C核磁共振（NMR）追踪葡萄糖代谢命运；采用免疫组化、RNAscope和电子显微镜进行形态学验证；并通过药理抑制和基因操作（心肌细胞特异性mdh1ab敲除和过表达）验证功能机制。

不同野生型斑马鱼品系的差异再生反应

研究发现七种斑马鱼品系对冷冻损伤的反应存在显著差异。在90天损伤后（dpci），TU和SAT品系的伤口面积/长度最大，而NA和TL品系的伤口最小。这种差异与损伤初期的实验操作变异无关，表明不同品系对冷冻损伤的反应确实存在异质性。

OXPHOS对心脏再生有益

通过RNA测序数据分析，研究人员意外发现OXPHOS是与7 dpci伤口长度和90 dpci伤口面积负相关最显著的通路，表明上调的OXPHOS可能促进心脏再生。OCR测量证实了在再生能力最强的品系中，OXPHOS在14 dpci时功能上调。

MAS上调驱动OXPHOS和心脏再生

单细胞RNA测序分析证实OXPHOS在边界区心肌细胞中最高。使用鱼藤酮（rotenone）抑制呼吸电子传递链（ETC）复合体I会导致伤口增大，表明OXPHOS上调对最佳再生是必需的。研究发现细胞质苹果酸脱氢酶基因mdh1ab是负相关最显著的基因，该基因主要在心股细胞中表达，作为苹果酸-天冬氨酸穿梭（MAS）的一部分，负责维持胞质和线粒体中NAD⁺/NADH的平衡。

OXPHOS不是心肌细胞增殖所必需的

研究发现心肌细胞增殖水平与长期再生结局无关。增殖高峰在7 dpci，到21 dpci时显著下降。再生能力最强的TL品系在7 dpci和21 dpci的增殖百分比最低，而增殖水平最高的WIK品系在90 dpci时却未能完全再生。

OXPHOS水平与边界区胚胎肌节表达上调相关

胚胎心肌肌球蛋白重链（embcmhc）表达在再生能力强的品系中更高且持续时间更长，与长期再生结局正相关。OXPHOS似乎驱动了embcmhc表达，而MAS抑制或OXPHOS抑制都会减少embcmhc表达。

心肌细胞增殖、OXPHOS和再分化的时间分离

伪时间分析揭示了边界区心肌细胞在再生过程中经历的事件顺序：损伤初期糖酵解相关基因高表达；1-3 dpci间OXPHOS基因下调而糖酵解持续；3-7 dpci间细胞周期基因上调；细胞周期基因表达高峰后紧接着线粒体组织和大量OXPHOS基因表达。

mdh1ab基因操作证实其在长期再生和心肌细胞再分化中的作用

心肌细胞特异性mdh1ab敲除（cKO）导致再生减少和embcmhc染色强烈减少，但不影响心肌细胞边界区增殖。相反，mdh1ab过表达（cOE）则增强再生，增加embcmhc表达，并提高OXPHOS速率。

洞穴鱼中OXPHOS上调减少和边界区再分化启动减弱

在墨西哥丽鱼中，再生能力强的地表鱼在7 dpci后TCA/OXPHOS稳步增加，而瘢痕形成的洞穴鱼在7 dpci时突然下降。MAS与糖酵解的相关性在洞穴鱼后期时间点消失，表明糖酵解不再通过MAS为OXPHOS提供燃料。

研究结论表明，激活MAS和OXPHOS是心肌细胞再分化和成功长期再生的关键。研究发现挑战了当前领域认为OXPHOS抑制再生的假设，揭示了通过MAS激活OXPHOS对心肌细胞再分化的必要性。这种代谢重编程与暂时的胚胎肌节基因程序相关，对于功能性心肌细胞组装和整合到不断收缩的心肌中至关重要。研究还指出，不同再生阶段需要动态的代谢谢重编程：早期阶段上调糖酵解和下调OXPHOS对心肌细胞增殖成功至关重要，而长期完成再生则需要增加OXPHOS速率以进行肌节重组和心脏功能恢复。

这些发现为理解心脏再生机制提供了新视角，表明针对MAS和OXPHOS通路可能成为增强人类心肌梗死后心脏修复的可行策略。研究强调需要转变对OXPHOS在再生中作用的传统认知，为促进人类心脏修复提供了新的靶向途径。