心肌细胞线粒体单ADP核糖基化通过配置生物能量储备决定雄性小鼠对脓毒症的心脏耐受性

本研究针对脓毒症心肌病(SCM)缺乏有效治疗手段的临床困境，揭示了心肌细胞特异性表达的MacroD1通过调控线粒体复合物I(MCI)活性影响脓毒症心脏耐受性的新机制。研究人员通过基因敲除和药理学抑制证实，MacroD1通过去单ADP核糖基化(de-MARylation)Ndufb9蛋白抑制MCI活性，导致生物能量储备耗竭并激活NLRP3炎症小体；而抑制MacroD1可增强Ndufb9的MARylation，维持MCI活性和ATP生成，从而减轻心肌细胞焦亡和心脏功能障碍。该发现为SCM治疗提供了特异性靶点，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

脓毒症是全球范围内危及生命的重大健康挑战，其中脓毒症心肌病(SCM)作为常见并发症，死亡率高达70-90%。尽管已知心肌代谢紊乱是SCM的核心病理特征，但现有治疗仍局限于抗感染和支持疗法，缺乏针对心肌代谢异常的特异性干预手段。更棘手的是，不同器官中线粒体对脓毒症的反应存在显著异质性——例如肝细胞中线粒体复合物I(MCI)抑制具有保护作用，而心肌细胞中MCI功能障碍却会加剧损伤。这种器官特异性差异使得全身性代谢干预面临巨大挑战，亟需寻找心肌特异性调控靶点。

为破解这一难题，上海交通大学医学院团队在《Nature Communications》发表的研究，将目光投向了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)信号通路。NAD⁺作为细胞能量代谢的核心分子，其衍生的单ADP核糖基化(MARylation)修饰在细胞应激响应中扮演关键角色。研究人员通过单细胞RNA测序发现，在心肌细胞中特异性高表达的MacroD1（一种MARylation水解酶）在脓毒症刺激下显著上调。这提示MacroD1可能是连接心肌代谢与炎症反应的关键分子开关。

研究采用多组学联用策略，关键技术包括：1）构建心肌细胞特异性MacroD1条件性敲除小鼠(cKO)模型；2）通过BN-PAGE和Seahorse能量代谢分析评估线粒体功能；3）结合免疫共沉淀与质谱技术鉴定Ndufb9的R173位点MARylation修饰；4）采用CLP（盲肠结扎穿孔）和LPS（脂多糖）诱导的脓毒症模型评估心脏功能；5）使用MRS2578进行药理学干预验证治疗潜力。

结果部分：

心肌细胞富集的MacroD1与SCM相关

单细胞测序显示MacroD1在心肌细胞中表达量是其他NAD⁺信号酶的10倍，且LPS刺激后其蛋白（非mRNA）水平显著升高。免疫荧光证实MacroD1主要定位于线粒体，这种亚细胞定位暗示其可能调控线粒体功能。

敲除心肌细胞MacroD1基因增强脓毒症心脏耐受性

cKO小鼠在LPS和CLP模型中均表现出显著生存优势（96小时存活率100% vs 75%）。超声心动图显示cKO维持了左室射血分数(LVEF)和缩短分数(LVFS)，血清心肌损伤标志物cTnT和LDH水平降低50%。组织学分析显示中性粒细胞浸润和胶原沉积减少，但凋亡率无差异，表明保护作用源于代谢调节而非抗凋亡。

保留生物能量代谢是cKO心脏保护的基础

转录组学发现cKO心脏中三羧酸循环和碳代谢通路基因表达维持更好。电镜显示cKO心肌线粒体嵴密度增加，脂滴积累减少。Seahorse检测证实cKO心肌细胞基础呼吸和ATP偶联呼吸在LPS刺激下保持正常，而脂肪酸氧化能力提升30%。

MCI亚基Ndufb9是生物能量保存的关键介质

BN-PAGE显示cKO特异性维持MCI和MCV活性。质谱鉴定出MCI组装因子Ndufb9是MacroD1的作用靶点，其R173位点MARylation在cKO中增强。突变实验证实R173A突变会取消MacroD1抑制带来的保护效应，导致MCI活性下降和线粒体ROS(mitoROS)爆发。

cKO阻断MCI功能障碍相关的炎症损伤

cKO使心肌NLRP3炎症小体关键组分（ASC、caspase-1、GSDMD）表达降低60%，线粒体ASC-NLRP3相互作用减少。机制上，MacroD1抑制通过维持NAD⁺/NADH比值（提升2倍）和MCI活性，将mitoROS水平控制在生理范围，从而阻断炎症小体激活。

MacroD1阻断的治疗潜力

药理学抑制剂MRS2578（非P2Y6受体依赖）在LPS模型中完全预防死亡，维持LVEF>55%，并降低心肌纤维化。该化合物通过增强Ndufb9 MARylation（提升3倍）发挥与基因敲除相当的效应。

这项研究首次阐明心肌细胞通过MacroD1-Ndufb9-MCI轴感知脓毒症代谢压力的分子机制，创新性地提出：1）MARylation修饰是心肌线粒体功能调控的新开关；2）器官特异性代谢干预可规避全身治疗副作用；3）生物能量储备配置决定炎症耐受性。该发现不仅为SCM提供了特异性治疗靶点，也为理解代谢-炎症偶联提供了新范式。值得一提的是，研究采用的MRS2578已进入其他疾病临床试验，这大大加快了其临床转化前景。未来研究可进一步探索MacroD1在不同性别中的调控差异，以及其在其他代谢性心脏病中的作用。