尽管有高血压但没有心脏损伤

几十年来，柏林的科学家们一直在研究一种奇怪的遗传性疾病，这种疾病会导致某些家庭的一半成员手指异常短且血压极高。如果不及时治疗，受影响的患者通常会在 50 岁时死于中风。柏林 Max Delbrück 中心 (MDC) 的研究人员早在 2015 年就确定了这种疾病的原因，并在五年后使用动物模型证明了他们的假设：磷酸二酯酶 3A 基因 (PDE3A) 的突变导致其编码的酶成为过度活跃，影响骨骼生长并导致血管增生——导致血压升高。

对高血压相关损伤免疫

“高血压几乎总是会导致心脏变弱，”Max Delbrück 中心锚定信号实验室负责人、德国心血管研究中心 (DZHK) 的科学家 Enno Klußmann 博士说。Klußmann 解释说，由于它必须承受更高的压力，该器官试图加强其左心室。“但最终，这会导致心肌增厚——称为心脏肥大——这会导致心力衰竭，大大降低其泵血能力。”

但在手指缩短和 PDE3A 基因突变的高血压患者中，这种情况不会发生。“由于现在部分(但尚未完全)了解的原因，他们的心脏似乎对通常由高血压引起的损害免疫，”Klußmann 说。

该研究已发表在《循环》杂志上，是 Max Delbrück 中心、Charité – Universitätedizin Berlin 和 DZHK 的研究人员合作的结果。除了 Klußmann 之外，Max Delbrück 中心的 Norbert Hübner 教授和 Michael Bader 教授以及来自 Charité 和 Max Delbrück 中心的联合机构实验和临床研究中心 (ECRC) 的 Sylvia Bähring 博士作为最终作者参与其中。与来自柏林、波鸿、海德堡、卡塞尔、林堡、吕贝克、加拿大和新西兰的其他 43 名研究人员一起，该团队现在报告了其关于基因突变的保护作用的发现——以及为什么这些结果可能会改变心力衰竭的方式以后治疗。该出版物有四位第一作者，其中三位在 Max Delbrück 中心进行研究，一位在 ECRC 进行研究。

两个突变效果相同

科学家们对患有高血压和短指(HTNB)综合征的人类患者(即高血压和异常短的手指)以及大鼠模型和心肌细胞进行了测试。这些细胞是从被称为诱导多能干细胞的特殊工程干细胞中培养出来的。在测试开始之前，研究人员改变了细胞和动物中的 PDE3A 基因以模拟 HTNB 突变。

“我们在检查的患者中发现了一种以前未知的 PDE3A 基因突变，”Bähring 报告说。“以前的研究一直表明酶的突变位于催化域之外——但我们现在发现了一个突变就在这个域的中心。” 令人惊讶的是，这两种突变具有相同的效果，因为它们使酶比平时更活跃。这种过度活跃会加速细胞中一种重要的信号分子 cAMP(环磷酸腺苷)的降解，它与心肌细胞的收缩有关。“这种基因修饰——无论其位置如何——都有可能导致两个或多个 PDE3A 分子聚集在一起，从而更有效地工作，”Bähring 怀疑。

蛋白质保持不变

研究人员使用了一个大鼠模型——由 Max Delbrück 中心的 Michael Bader 实验室使用 CRISPR-Cas9 技术创建——试图更好地了解突变的影响。“我们用异丙肾上腺素(一种所谓的 β 受体激动剂)治疗动物，”Klußmann 说。此类药物有时用于终末期心力衰竭患者。已知异丙肾上腺素可诱导心脏肥大。“然而令人惊讶的是，这发生在基因修饰的大鼠中，其方式与我们在野生型动物中观察到的相似。与我们的预期相反，现有的高血压并没有使情况恶化，”Klußmann 报告说。“他们的心脏显然受到了异丙肾上腺素的这种作用的保护。”

在进一步的实验中，研究小组调查了心肌细胞特定信号级联中的蛋白质是否会因突变而发生变化，如果发生变化，是哪些发生了变化。通过这一系列化学反应，心脏对肾上腺素做出反应，并在兴奋等情况下跳动得更快。肾上腺素激活细胞的β受体，使它们产生更多的cAMP。PDE3A 和其他 PDE 通过化学改变 cAMP 来停止该过程。“然而，我们发现突变型大鼠和野生型大鼠在蛋白质和 RNA 水平上几乎没有差异，”Klußmann 说。

细胞质中更多的钙

PDE3A 对 cAMP 的转化不仅仅发生在心肌细胞的任何部位，而是发生在储存钙离子的管状膜系统附近。这些离子释放到细胞的胞质溶胶中会触发肌肉收缩，从而使心脏跳动。收缩后，钙被蛋白质复合物泵回储存。该过程也由 PDE 在当地进行监管。

Klußmann 和他的团队假设，由于这些酶在钙泵周围的局部区域过度活跃，因此应该有较少的 cAMP——这会抑制泵的活动。“在基因修饰的心肌细胞中，我们实际上表明钙离子在细胞质中的停留时间比平时长，”Klußmann 实验室成员、该研究的四位第一作者之一 Maria Ercu 博士说。“这可以增加细胞的收缩力。”

激活而不是抑制

“PDE3 抑制剂目前用于急性心力衰竭治疗，以提高 cAMP 水平，”Klußmann 解释说。定期使用这些药物治疗会迅速削弱心肌的力量。“我们的研究结果现在表明，不是抑制 PDE3，而是 - 相反 - PDE3A 的选择性激活可能是预防和治疗高血压引起的心脏损伤(如肥厚性心肌病和心力衰竭)的一种新的和大大改进的方法，”Klußmann 说.

但在此之前，他说，需要更多地了解突变的保护作用。“我们观察到 PDE3A 不仅变得更加活跃，而且它在心肌细胞中的浓度也降低了，”研究人员报告说，并补充说，前者可能可以用寡聚化来解释——这种机制至少涉及两种酶分子一起工作。“在这种情况下，”Klußmann 说，“我们可能会开发出人工启动局部寡聚化的策略，从而模拟对心脏的保护作用。”