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Circulation:北医三院团队发现心力衰竭治疗的潜在新靶点
2026-04-27
GRSF1敲除小鼠
GRSF1敲除小鼠
Grsf1 结合 RNA,调控衰老凝血病毒肌肉及肿瘤多种疾病进程
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引言
心力衰竭作为各类心血管疾病的终末阶段,是全球范围内住院和死亡的主要原因之一。这种疾病的病因复杂多样,其中代谢紊乱(尤其是线粒体代谢稳态失衡)可能起关键作用。心脏支链氨基酸(BCAA,包括异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸)代谢失衡被认为与心力衰竭的发生和发展有关,但在心力衰竭发生时引发BCAA代谢下调的机制尚不明确。

RNA结合蛋白通过调控mRNA的加工和储存等过程,在心血管生理和病理过程中扮演重要角色。之前的研究表明,GRSF1(富含鸟嘌呤的RNA序列结合因子1)定位在细胞核、细胞质和线粒体内,参与维持线粒体稳态和心脏健康。不过,GRSF1是否参与心脏BCAA的代谢调控,进而影响心力衰竭进程,目前仍有待探明。

北京大学第三医院心血管内科徐明教授领导的研究团队近日发现,GRSF1作为一种内源性代谢检查点,通过转录后调控BCKDH复合物关键亚基BCKDHB来维持心脏BCAA的稳态。这项研究成果发表在Circulation杂志上,为心力衰竭的治疗带来了潜在的新靶点。
研究示意图
研究材料与方法
在这项研究中,研究人员检测了扩张型心肌病患者心肌组织中的GRSF1表达水平,并通过主动脉弓缩窄(TAC)或异丙肾上腺素处理构建了小鼠心力衰竭模型。他们将GRSF1fl/+小鼠与αMHC-cre小鼠(赛业生物提供)杂交构建了心肌细胞特异性的GRSF1敲除小鼠,以探究GRSF1在心力衰竭中的作用。通过非靶向和靶向代谢组学分析以及线粒体功能分析,评估了GRSF1对支链氨基酸(BCAA)稳态的影响。为阐明GRSF1介导的代谢调节机制,他们使用心肌细胞特异性BCKDHB敲除小鼠(其中αMHC-cre小鼠由赛业生物提供),以及心肌细胞特异性表达缺乏类RNA识别基序(qRRM)的GRSF1的小鼠。
技术路线
1. 检测扩张型心肌病患者心肌组织中的GRSF1表达以及与心力衰竭标志物的关联

2. 构建心脏特异性的GRSF1敲除和过表达小鼠,以探究GRSF1在调节心肌功能中的作用

3. 通过非靶向和靶向代谢组学技术检测小鼠心脏组织中BCAA及其代谢产物的水平,确定GRSF1对BCAA代谢的调控作用

4. 通过RNA pull-down和免疫沉淀等实验分析GRSF1与BCKDHB mRNA的相互作用及调控机制
研究结果
GRSF1表达在心力衰竭时降低
通过对RNA测序数据的分析,研究人员发现在扩张型心肌病和缺血性心肌病患者的左心室样本中,GRSF1的mRNA水平显著降低,且其表达水平与心脏功能密切相关。与转录数据一致,扩张型心肌病患者心肌组织中的GRSF1蛋白水平显著低于健康对照。分析还显示,GRSF1表达与心力衰竭标志物心房钠尿肽(ANP)、脑钠肽(BNP)和β-肌球蛋白重链(β-MHC)的mRNA水平呈显著负相关。在小鼠心力衰竭模型中,心肌细胞的GRSF1蛋白水平显著下降。这些结果表明,GRSF1可能参与维持心肌稳态。
心脏特异性GRSF1缺失导致心脏损伤
为了探究GRSF1在调节心肌功能中的作用,研究人员构建了心脏特异性的GRSF1敲除小鼠(GRSF1△CM)。这种小鼠未出现胚胎致死现象,但寿命显著缩短,中位生存期仅为8个月。超声心动图显示,GRSF1△CM小鼠的心脏收缩功能急剧下降,表现为左心室射血分数和缩短分数降低,以及左心室舒张末期内径增大,表明左心室腔扩张。与对照小鼠相比,GRSF1缺失小鼠表现出心脏重量/胫骨长度比值升高、心肌肥厚和纤维化加剧,且ANP、BNP和β-MHC表达上调。这些结果表明,心肌细胞中GRSF1缺失会导致心脏功能障碍和心力衰竭。
GRSF1缺失导致心脏扩张和功能障碍
图1. GRSF1缺失导致心脏扩张和功能障碍
之后,他们通过尾静脉注射AAV9-cTNT-GRSF1,实现了心肌细胞特异性的GRSF1过表达。在TAC诱导的心力衰竭小鼠模型中,GRSF1过表达使得小鼠心脏收缩功能显著改善,心肌肥厚和纤维化特征得到逆转,且心力衰竭标志物下调,这表明GRSF1可能防止血流动力学超负荷诱发的心力衰竭。
GRSF1缺失抑制BCAA代谢并促进蛋白质合成
为了进一步探究GRSF1如何影响心脏功能,研究人员利用6月龄GRSF1fl/fl和GRSF1△CM小鼠的心脏组织开展了非靶向代谢组学分析。结果显示,GRSF1△CM小鼠中共有91种代谢物发生显著改变,其中差异表达的代谢物主要富集于BCAA代谢通路。靶向代谢组学分析证实,GRSF1缺失小鼠的心脏中积累了缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸及其代谢产物支链α-酮酸(BCKA)。此外,在12周龄(心脏功能障碍出现之前),GRSF1△CM小鼠的BCAA代谢已发生改变,并随着年龄增长变得更加明显。这些结果表明,GRSF1缺失可能是心肌BCAA积累的主要驱动因素。

考虑到BCAA和BCKA的再氨化会促进蛋白质合成并在心脏重塑中发挥作用,研究人员推测GRSF1缺失小鼠的蛋白质翻译可能发生改变。与GRSF1fl/fl小鼠相比,GRSF1△CM小鼠心脏中嘌呤霉素的掺入量增加,ERK1/2、mTOR和4E-BP1的磷酸化水平升高,蛋白质合成增加。同时,这些小鼠的线粒体形态出现异常,表现为线粒体体积缩小、数量增加、嵴结构紊乱,基础呼吸和最大呼吸能力显著下降,表明GRSF1缺失后线粒体功能受损。由此可见,GRSF1在心肌细胞中抑制BCAA介导的蛋白质合成和线粒体功能障碍。
GRSF1在转录后调控BCKDHB mRNA的稳定性
之后,研究人员深入解析了背后的分子机制。BCKA脱氢酶(BCKDH)复合物是BCAA分解代谢过程中的限速酶,由三个亚基组成(E1、E2、E3),其中E1亚基由BCKDHA和BCKDHB基因编码。他们发现,心肌细胞中GRSF1敲降显著降低了BCKDHB的蛋白质和mRNA水平,而对其他亚基无影响。

通过RNA pull-down分析,他们发现GRSF1BCKDHB mRNA的编码区结合,且该区域的G-rich序列是结合的关键位点,该序列的缺失或突变几乎完全消除了二者的相互作用。GRSF1敲降会显著缩短BCKDHB mRNA的半衰期。重要的是,在GRSF1△CM小鼠的心脏组织中,BCKDHB的蛋白质和mRNA水平也降低了。在扩张型心肌病患者和心力衰竭小鼠模型的心脏中都观察到BCKDHB的降低。这些结果显示,GRSF1促进了BCKDHB的表达。
GRSF1与BCKDHB mRNA相互作用
图2. GRSF1直接与BCKDHB mRNA编码区相互作用,以保持其稳定性和蛋白质表达
此外,研究人员还发现,在GRSF1的三个qRRM结构域中,qRRM2是其结合BCKDHB mRNA的必需结构域,缺失qRRM2的GRSF1突变体无法稳定BCKDHB mRNA,也无法改善GRSF1敲除小鼠的BCAA代谢紊乱和心脏功能异常。

最后,研究人员开展了一项纵向研究,比较BCKDHBfl/fl和BCKDHB△CM小鼠的心脏功能。结果显示,BCKDHB△CM小鼠会出现进行性心脏功能下降,且心力衰竭表型的出现早于GRSF1△CM小鼠。在BCKDHB敲除小鼠中过表达GRSF1,无法有效改善TAC诱导的心脏收缩功能障碍、心肌肥厚和纤维化,表明GRSF1通过调控BCKDHB发挥心脏保护作用,而BCKDHB表达则能有效缓解GRSF1敲除小鼠的心力衰竭表型,进一步验证了GRSF1-BCKDHB调控轴的关键作用。
结论
GRSF1调控BCAA稳态示意图
图3. GRSF1在心力衰竭中调控BCAA稳态的示意图
这项研究证实,GRSF1作为心肌细胞内源性代谢检查点,通过转录后调控BCKDHB mRNA的稳定性,维持心脏BCAA稳态和线粒体功能,进而抵御心力衰竭的发生发展。研究强调了GRSF1-BCKDHB调控过程在预防心力衰竭方面的意义。研究人员推测,以功能失调的BCAA代谢稳态为治疗靶点也许能改善心脏代谢疾病的功能障碍,这不仅包括心力衰竭,还包括动脉粥样硬化、高血压和糖尿病等。
参考文献
Wang H, Wang J, Zhu M, et al. GRSF1 Protects Against Heart Failure by Maintaining BCAA Homeostasis. Circulation. 2026; 153: 736–753. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.125.074700