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在成熟的心肌细胞中，高效的兴奋-收缩偶联(excitation-contraction coupling, ECC)依赖于结构和功能完整的二联体(dyad)单元：由横管(T-tubule)和连接型肌浆网(junctional sarcoplasmic reticulum, jSR)偶联在Z线形成规则排列的纳米级结构。T-tubule为心肌细胞质膜的管状凹陷，膜上分布着电压敏感型钙通道；jSR是富含Ca2+释放通道RYR2(Ryanodine Receptor 2)的肌浆网特殊区域。dyad紧密地将电活动与Ca2+释放和心肌收缩联系在一起，其结构异常和功能紊乱直接导致ECC缺陷，是源于不同病因心力衰竭患者的共同特征。人源诱导型多能干细胞分化的心肌细胞(human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes, hiPSC-CMs)未能形成dyad，这限制了其在疾病建模和组织修复中的应用。因此，促进dyad的组装和稳定的方法有望保护心脏免受重塑和心力衰竭的影响，并提高hiPSC-CMs的研究和治疗潜力。
2024年9月5日(当地时间)，复旦大学生物医学研究院/附属中山医院心内科上海心研所路福建研究员与哈佛医学院波士顿儿童医院William T. Pu教授合作，于期刊Nature Biomedical Engineering发表题为“Virally delivered CMYA5 enhances the assembly of cardiac dyads”的论文。该研究揭示了心力衰竭的重要致病机制——CMYA5表达水平降低，并发明了一种可通过腺相关病毒(AAV)载体递送的微型化CMYA5蛋白(miniCMYA5)。心脏特异性表达miniCMYA5稳固了dyad的结构，显著改善心脏功能，并在hiPSC-CMs中启动了dyad的组装，为心力衰竭的治疗和hiPSC-CMs的体外成熟提供了新方法。
在先前的研究中，研究人员使用生物素介导的邻近蛋白质组学标记技术(BioID)，在活体、原位成功捕获了位于dyad空间的蛋白质组(Nat Commun, 2022)，发现了新型dyad蛋白CMYA5是调控jSR定位于Z线(dyad组装的早期和关键步骤)的重要分子。CMYA5缺失破坏了dyad结构、dyad在Z线上的定位以及jSR的Ca2+释放，导致心力衰竭和对压力超载应激的不耐受。通过检测主动脉缩窄术(transverse aortic constriction, TAC)后小鼠和扩张型心肌病患者的心脏样本发现，CMYA5转录水平和定位正常，但与RYR2互作的CMYA5蛋白水平显著下调，成为心力衰竭中dyad结构破坏的重要因素。因此，增强CMYA5蛋白表达可能有助于保护dyad结构，抵抗和治疗心力衰竭。
AAV是主要的活体心脏基因递送载体，但其容量有限(~4.7kb)，无法用于表达全长的CMYA5(11.2kb)。为此，研究人员设计了一种可以通过AAV递送的CMYA5衍生物，分析不同物种中CMYA5氨基酸的保守性发现，N端(78-319，NT)和C端(2731-3739, MD9)高度保守。免疫荧光和免疫共沉淀实验表明，NT负责CMYA5的Z线定位，而MD9负责与RYR2的互作。在CMYA5缺失的心肌细胞中，NT和MD9单独均无法恢复RYR2的定位。相反地，研究人员将NT融合到MD9后，产生了足够小、AAV可装载的微型化蛋白miniCMYA5，能够定位于Z线并与RYR2互作，在缺失CMYA5的细胞中恢复了RYR2的定位。进一步功能评估表明，miniCMYA5能有效替代全长CMYA5，修复由于CMYA5缺失引起的dyad组装、Z线定位和心脏功能方面的紊乱。
在随后的实验中，研究人员采用两套方案测试AAV-miniCMYA5的治疗潜力：一是在新生小鼠注射全剂量AAV，成年后进行TAC手术，测试其抵抗心力衰竭的能力；二是对成年鼠进行TAC手术建立心力衰竭模型后进行AAV注射，验证治疗效果。通过超声心动图监测心脏功能、组织原位成像、免疫组化分析以及对单个心肌细胞进行收缩力和钙成像等操作，全面评估基因治疗效果。结果显示，通过AAV-miniCMYA5增强CMYA5活性能稳定dyad结构，纠正异常的Ca2+释放，缓解心肌肥厚和功能障碍。与以往基于Junctophilin2和Bin1的治疗策略相比，miniCMYA5展现出了更为优越的效果，是一种更具潜力的新型治疗心力衰竭的手段。
图1. 通过AAV-miniCMYA5缓解心肌肥厚和功能障碍
最后，对体外分化的iPSC-CMs和健康供体的成熟心肌进行对比分析发现， CMYA5及其互作蛋白在转录和蛋白水平的缺失，可能是hiPSC-CMs结构不成熟的重要因素。结合细胞微图案(micropattern)和工程化人源心肌组织(engineered heart tissue, EHT)技术，在hiPSC-CMs中表达miniCMYA5促进了RYR2/jSR与Z线的对齐，增加了钙释放的同步性和钙瞬变的幅度，同时提高了EHT的收缩力。miniCMYA5技术成为首个通过基因操纵促进hiPSC-CMs结构和功能成熟的手段。
复旦大学路福建研究员为论文的第一作者和共同通讯作者，波士顿儿童医院William Pu教授为论文的共同通讯作者。
注：文中插图源于 Nature Biomedical Engineering
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41551-024-01253-z
来 源 复旦大学生物医学研究院
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