小鼠的心脏发育是一个功能逐步完善的过程,直至出生后仍在进行一系列重构事件,包括心肌细胞的增大、非心肌细胞的增殖以及细胞外基质的重塑等。目前的研究认为心脏重构的主要因素是单个心肌细胞的增大,体现为心肌细胞体积的增大、含有双核的心肌细胞数的增加、收缩装置的扩展等。这一系列的事件必须有精准的信号进行调控,任一环节出现问题,都有可能导致心力衰竭。而很多心脏疾病的最终表现就是心力衰竭,它也是目前世界上发病率和死亡率日益增加的最主要原因之一。因此,研究小鼠出生后心脏的重构过程对于理解心力衰竭的发病机制和寻找有效的预防和治疗手段具有非常重要的临床意义。蛋白质的异戊二烯化修饰包括香叶基香叶基化修饰和法尼基化修饰,用于修饰的香叶基香叶基二磷酸(GGPP)和法尼基二磷酸(FPP)基团通过甲羟戊酸合成途径合成。以往的研究表明,当使用他汀类药物,或者高表达法尼基二磷酸合成酶(FPPS),均可同时影响蛋白质的香叶基香叶基化修饰和法尼基化修饰,造成二者同时下降或者同时升高,影响了心脏的正常功能。我们认为:蛋白质的香叶基香叶基化修饰和法尼基化修饰的平衡对心肌细胞的正常功能至关重要。平衡这两种修饰的是将FPP转化为GGPP的关键性合成酶GGPPS(香叶基香叶基二磷酸合成酶)。GGPPS在出生后各周龄心脏中的表达持续升高到5周,在8周后稳定表达,因此我们推测GGPPS调控的蛋白质香叶基香叶基化和法尼基化修饰的平衡可能参与了小鼠出生后的心脏重构过程。我们试图在心肌细胞中改变这两种异戊二烯化修饰的平衡,研究这类修饰在心脏中的具体调节作用。我们首先构建了 GGPPS-floxed小鼠,利用α-MyHC-cre转基因小鼠特异性地在心肌细胞中将GGPPS敲除。通过组织形态学染色观察发现,在出生后4周龄GGPPS敲除小鼠开始出现心肌肥大的症状,伴随着心肌细胞的肥大以及肥大markers的表达上升。随着年龄的增长,心脏功能逐渐下降、心律失常、心肌细胞凋亡、心脏发生纤维化,最终导致心衰的发生和成年致死。重要的是,我们发现GGPPS在应答于压力负荷诱导的小鼠心肌肥大过程中表达下调,同时FPP/GGPP的比值上升,并且在心衰病人的心脏中GGPPS的表达也有所下调。因此,我们认为GGPPS对于小鼠出生后心脏进行正常的重构过程必不可少,为临床上预防和治疗高血压引起的肥大性心肌病提供了新的分子靶标。进一步我们发现GGPPS敲除引起心肌细胞中FPP/GGPP的比值增加,蛋白质的香叶基香叶基化修饰的下降和法尼基化修饰的升高。其中小G蛋白Rap1A香叶基香叶基化修饰的降低可能与GGPPS敲除导致的心律失常有关,Rheb法尼基化修饰的增加促进了 mTORC1信号的活化,引起心肌细胞的肥大生长。抑制Rheb-mTORC1信号能够阻抑GGPPS降低引起的心肌细胞肥大。长期的心肌细胞肥大造成心脏功能下降并最终引起慢性心衰,导致小鼠死亡。超微结构观察显示,GGPPS敲除后,心肌细胞中的线粒体结构发生破坏。对分离的生物膜成分进行的蛋白质组学分析表明,多数线粒体蛋白表达下降,其中NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和电子传递黄素蛋白-辅酶Q氧化还原酶等负责线粒体电子传递的酶含量下降,这些酶的共同特点是其结构和功能需要辅酶CoQ10的参与,而GGPP是合成CoQ10的前体物质。经检测,GGPPS敲除后心肌细胞中CoQ10的合成减少。CoQ10含量的降低可能引起线粒体内膜结构异常,导致氧化磷酸化解偶联,而使线粒体产生ATP能力下降。我们进一步检测心脏中线粒体数量发现,小鼠出生后心脏中的线粒体数量持续增加,其变化趋势与GGPPS的表达相似,也在8周后达到稳定状态。因此我们进一步利用α-MHC-MerCreMer转基因小鼠构建了诱导型心脏特异性GGPPS敲除小鼠,研究在小鼠出生后8～9周蛋白质的香叶基香叶基化修饰和法尼基化修饰的平衡对线粒体和心脏功能的影响。通过在第9周腹腔注射tamoxifen(40 mg/kg/d),将GGPPS在心肌细胞中敲除,小鼠心脏出现严重的心肌扩张,导致急性的心力衰竭而死亡,同时伴随着心肌细胞凋亡的增加、纤维化的产生和心脏功能的下降。电镜结果显示GGPPS敲除促进大量的线粒体自噬体积累,对线粒体的进一步分析发现GGPPS的缺失造成线粒体数量的下降以及线粒体功能的损伤。我们推测其中一个可能原因是,8～9周是小鼠心脏重构成熟的必然过程,这一过程需要大量的线粒体供应能量,当此时心肌细胞中缺失GGPPS,会导致CoQ10合成的减少,诱发心肌线粒体损伤并发生线粒体自噬,过度的自噬导致线粒体数量下降,从而可能产生心衰。综上所述,我们的研究表明GGPPS调控的蛋白质异戊二烯化修饰的平衡在小鼠出生后心脏的重构过程中发挥重要的作用,揭示了一种新的正常生理过程下的调节机制,同时也为临床上高血压引起的肥大性心肌病和心衰的治疗提供新的理论依据和靶点。