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-02-13
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背景
预计到年，糖尿病将影响全球10%的人口。糖尿病的主要并发症之一是糖尿病性心肌病(DbCM)，其代表特征在没有冠状动脉疾病的情况下发生心力衰竭。在最近使用了葡萄糖钠共转运体2(SGLT2)抑制剂治疗之前，降糖治疗并不能缓解糖尿病患者的心力衰竭。已经提出了许多假设来解释DbCM的潜在病理生理学。这些包括过量脂肪酸氧化、活性氧形成和糖脂毒性，所有这些都已在DbCM小鼠的心肌中发现。
简介
年2月5日，来自美国坦普尔大学的KonstantinosDrosatos教授及其团队在CircRes(IF:14.)杂志上发表了名为KLF5IsInducedbyFOXO1andCausesOxidativeStressandDiabeticCardiomyopathy的研究[1]。本研究旨在探索心肌细胞KLF5在糖尿病中是如何受到调控的，以及它是否通过刺激PPARα表达或独立参与DbCM。
基本原理
糖尿病心肌病(DbCM)是1型糖尿病(T1D)的主要并发症，伴有心脏能量改变、线粒体功能受损和氧化应激。既往研究表明，T1D与调节心脏脂质代谢的Krüppel样因子-5(KLF5)和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)α在心肌的表达增加有关。
主要结果
糖尿病患者和小鼠的心肌KLF5表达较高
与我们之前研究结果一致，T1D主动脉狭窄患者(n=1)或2型糖尿病患者(T2D；n=5)与非糖尿病患者相比，显示出更高水平的KLF5mRNA(图1A)。为了探索糖尿病动物模型中心脏KLF5表达是否增加，我们在C57BL/6小鼠中诱导了T1D和T2D。注射STZ诱导T1D，每天5次。早在注射STZ2周后，糖尿病小鼠血浆胰岛素水平降低，血糖水平升高(图1B)，随后出现收缩期(图1C)和舒张期心脏功能障碍(9周和12周)。
图1.A.合并或不合并糖尿病的主动脉瓣狭窄患者心肌细胞中KLF5基因表达的比较。B-C.非糖尿病和1型糖尿病C57Bl/6小鼠的血糖水平(B)和缩短分数(C)
FOXO1是糖尿病中KLF5的阳性转录调节因子
随着胰岛素缺乏的发展，与非糖尿病C57BL/6小鼠相比，T1D为12周的C57BL/6小鼠心肌提取物中AKT的Ser和FOXO1的Ser的磷酸化水平下降(图2A)。这表明胰岛素信号传导的抑制，增加了FOXO1的核易位。
为了研究胰岛素信号在T1D被抑制，从而导致FOXO1激活，是否导致KLF5表达的改变，我们用胰岛素治疗了人心肌细胞衍生细胞系(AC16)1小时。与未接受胰岛素治疗的对照组细胞相比，该治疗增加了Ser处AKT的磷酸化，降低了KLF5蛋白水平(图2B)。用表达野生型FOXO1或组成型活性FOXO1的腺病毒处理AC16细胞增加了KLF5mRNA和蛋白水平(图2C)。为了研究FOXO1是否解释了胰岛素介导的KLF5表达抑制，我们用胰岛素治疗表达wtFOXO1和caFOXO1的AC16细胞。在表达wtFOXO1的AC16细胞中，胰岛素增加了AKT和FOXO1的磷酸化(图2C)。显然，在表达磷酸化抵抗的caFOXO1细胞中未诱导FOXO1磷酸化(图2C)。因此，胰岛素治疗降低了Ad-wtFOXO1感染的AC16细胞中KLF5的表达(图2D)。此外，在表达caFOXO1的细胞中，胰岛素没有抑制KLF5蛋白水平(图2E)。
图2.A.STZ给药12周后，非糖尿病和糖尿病C57BL/6小鼠心肌pSer-FOXO1、总FOXO1、pSer-AKT和总AKT的免疫印迹以及PonceauS染色。B.来自对照组和胰岛素刺激的AC16细胞的PSE-AKT、总AKT、KLF5和β-ACTIN蛋白的免疫印迹。C.未经表达GFP、wtFOXO1或caFOXO1的腺病毒处理或经胰岛素处理的AC16细胞的总FOXO1、pSer-FOXO1和β-ACTIN蛋白免疫印迹。D.对表达GFP和wtFOXO1的腺病毒处理的AC16细胞，在没有或有胰岛素刺激的情况下，KLF5和β-ACTIN蛋白的免疫印迹。E.在未经胰岛素治疗或经胰岛素治疗的情况下，用表达caFOXO1的腺病毒治疗的AC16细胞的PSE-AKT、总AKT、KLF5和β-αCTIN蛋白的免疫印迹。
心肌细胞特异性FOXO1消融可预防T1D患者的KLF5上调和心肌病
为了检测FOXO1介导的KLF5诱导是否是与DbCM发生相关的中枢事件，我们制作了一个具有心肌细胞特异性FOXO1消融的小鼠细胞系。这些小鼠的全心肌提取物中FOXO1和KLF5mRNA和蛋白水平较低。在分离的原代心肌细胞中，我们验证了FOXO1的完全消融和KLF5的下降趋势。糖尿病αMHC-FoxO1-/-小鼠(其血浆胰岛素、血糖和甘油三酯水平与糖尿病性同窝仔相似)受到保护，免于出现心脏功能障碍(图3A)。与糖尿病FOXO1fl/fl小鼠相比，糖尿病αMHC-FoxO1-/-小鼠的心脏功能改善伴有KLF5和PPARα蛋白水平降低(图3B)。
图3.Post-STZ2周和12周后FOXO1fl/fl和αΜΗC-FoxO1-/-糖尿病小鼠的左心室缩短分数
研究新发现
1、在小鼠和人类中，胰岛素信号的抑制通过FOXO1激活以刺激心肌细胞KLF5的表达。
2、心肌细胞KLF5促进NOX4介导的氧化应激和神经酰胺积累。
3、KLF5的抑制以独立于PPARα的方式减轻糖尿病心肌病。
结论及展望
DbCM在全身系统和细胞水平上与各种病理机制的激活有关。氧化应激、心脏脂肪毒性、代谢刚性和糖毒性是糖尿病心脏功能障碍的一些并发症。我们之前的研究将KLF5与心肌PPARα的转录调控相关。对糖尿病人和大鼠心脏的研究显示，心脏PPARα的表达较低。虽然这与心脏衰竭时心肌PPARα表达降低相一致，但组成型心肌细胞PPARα的表达也会因脂肪毒性而导致心功能障碍。本研究确定了KLF5参与DbCM，以及FOXO1对T1D的调控。因此，KLF5抑制成为缓解T1D心功能障碍、脂肪毒性和氧化应激的潜在治疗靶点。
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