2025年6月3日，空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部生理與病理生理教研室聯(lián)合西安交通大學(xué)團(tuán)隊在Cell Metabolism（IF=27.7）在線發(fā)表題為“O-GlcNAcylation-mediated endothelial metabolic memory contributes to cardiac damage via small extracellular vesicles”的研究論文，本研究揭示了一種通過O-GlcNA酰化實現(xiàn)內(nèi)皮代謝記憶的新機(jī)制，并確定了糖尿病EC衍生的小細(xì)胞外囊泡（sEVs）的記憶特征會導(dǎo)致心臟損傷。

 
AAV感染后TUNEL和DAPI染色的代表性圖像 小鼠頸動脈中CD31（內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物）與CaMK2a-Flag共免疫熒光染色的代表性圖像 Ad-Stat1表達(dá)后 Stat1及miR-16-5p 等相關(guān)基因的水平檢測
研究背景
糖尿病（DM）的患病率顯著增加，已成為一個主要的全球公共衛(wèi)生問題。眾所周知，糖尿病顯著增加了心力衰竭的風(fēng)險，與缺血性心臟病或其他并發(fā)癥的存在無關(guān)；另一方面，臨床證據(jù)也表明，在心力衰竭患者中，糖尿病是不良預(yù)后的關(guān)鍵決定因素。盡管治療后血糖恢復(fù)正常，但高血糖產(chǎn)生的適應(yīng)不良特征仍然存在。據(jù)推測，血管系統(tǒng)中早期的高血糖可能會被內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）記住，從而導(dǎo)致隨后的心血管并發(fā)癥。這種現(xiàn)象被稱為“高血糖記憶”或“代謝記憶”，主要用于描述高血糖對血管并發(fā)癥的長期負(fù)面影響。然而，代謝記憶在糖尿病心肌病或心力衰竭發(fā)展中的作用在很大程度上仍不清楚。

研究結(jié)果分享
1、代謝記憶產(chǎn)生的sEV miR-15-16上調(diào)FoxO1信號傳導(dǎo)
作者通過體內(nèi)外實驗研究發(fā)現(xiàn)在8周的高血糖（HG）應(yīng)激后，糖尿病來源的循環(huán)小細(xì)胞外囊泡（sEVs）對心肌細(xì)胞產(chǎn)生持續(xù)性不利影響，并在健康動物中誘導(dǎo)心臟功能障礙，盡管后續(xù)血糖恢復(fù)正常。這表明HG誘導(dǎo)的循環(huán)sEVs表現(xiàn)出“記憶”特征，可能促使糖尿病患者殘留部分心力衰竭風(fēng)險。考慮到在糖尿病8周時sEVs產(chǎn)生的不良影響，對從8周糖尿病和非糖尿病對照組大鼠血漿中收集的sEVs進(jìn)行高通量RNA測序，鑒定發(fā)現(xiàn)miR-15b-5p和miR-16-5p是代謝記憶產(chǎn)生的循環(huán)sEVs中的作用分子。miR-15b-5p和miR-16-5p被轉(zhuǎn)錄為miR-15-16，位于同一染色體區(qū)域，并且高度保守，考慮到兩者的協(xié)同作用，后續(xù)使用其模擬物或抑制劑探究了miR-15-16誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制。結(jié)果表明，sEVs miR-15-16靶向FoxO1信號通路的一系列上游調(diào)節(jié)因子，并通過上調(diào)心肌細(xì)胞中的FoxO1發(fā)揮促凋亡作用，進(jìn)而導(dǎo)致心臟功能障礙。
圖1. 代謝記憶產(chǎn)生的sEV miR-15-16上調(diào)FoxO1信號傳導(dǎo)
  2、抑制內(nèi)皮細(xì)胞miR-15-16可減輕代謝記憶誘導(dǎo)的心臟損傷和功能障礙
作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)代謝記憶誘導(dǎo)動脈內(nèi)皮細(xì)胞分泌sEV miR-15-16，為了探索內(nèi)皮miR-15-16在體內(nèi)代謝記憶誘導(dǎo)的心臟功能障礙中的作用，作者利用AAV9介導(dǎo)miR-15-16海綿遞送給小鼠，實現(xiàn)了EC特異性的miR-15-16敲低。與NC海綿組相比，EC特異性miR-15-16海綿組血漿sEV miR-15-16的表達(dá)顯著降低，表明動脈EC是代謝記憶誘導(dǎo)的血漿sEV miR-15-16的主要來源。此外，在DM或DM+Ins（代謝記憶動物模型）組中，EC特異性miR-15-16敲低降低了心肌miR-15-16的表達(dá)，改善了心功能，并抑制了心肌細(xì)胞凋亡和FoxO1的表達(dá)。這些數(shù)據(jù)表明，內(nèi)皮細(xì)胞分泌的sEV miR-15-16參與了代謝記憶誘導(dǎo)的心臟損傷和功能障礙。
圖2. 抑制內(nèi)皮細(xì)胞miR-15-16可減輕代謝記憶誘導(dǎo)的心臟損傷和功能障礙
  3、敲低內(nèi)皮細(xì)胞CaMK2a-Stat1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制代謝記憶誘導(dǎo)的sEV miR-15-16分泌和心臟功能障礙
作者進(jìn)一步探究了代謝記憶促進(jìn)ECs分泌sEV miR-15-16的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)HG對miR-15-16的作用可能通過誘導(dǎo)蛋白質(zhì)O-GlcNAc糖基化介導(dǎo)。糖尿病動脈ECs中O-GlcNAc糖基化、CaMK2a活性、CaMK2a-Stat1結(jié)合以及Stat1在Ser727位點的磷酸化均顯著升高，即使后期通過胰島素植入實現(xiàn)血糖正常化，這些指標(biāo)仍顯著升高。利用腺病毒在ECs中過表達(dá)Stat1，實驗發(fā)現(xiàn)Stat1可以與pri-miR-15-16啟動子結(jié)合，以增強(qiáng)EC中sEV miR-15-16的分泌。隨后，作者通過抑制CaMK2a/Stat1探究了內(nèi)皮細(xì)胞CaMK2a-Stat1信號傳導(dǎo)在代謝記憶誘導(dǎo)的sEV miR-15-16分泌上調(diào)中的作用，結(jié)果表明內(nèi)皮細(xì)胞CaMK2a-Stat1信號傳導(dǎo)介導(dǎo)代謝記憶誘導(dǎo)的血漿sEV miR-15-16上調(diào)，并誘導(dǎo)心臟功能障礙。
圖3. 敲低內(nèi)皮細(xì)胞CaMK2a-Stat1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制代謝記憶誘導(dǎo)的sEV miR-15-16分泌和心臟功能障礙
4、早期胰島素治療或O-GlcNAc修飾抑制可阻斷高血糖誘導(dǎo)的記憶信號并預(yù)防糖尿病性心肌損傷
前期工作鑒定Thr306為CaMK2a的潛在GlcNAc修飾位點，對該位點進(jìn)行突變試驗。利用腺病毒在EC中表達(dá)外源野生型或T306A突變體CaMK2a-Flag，證明了Thr306位點的O-GlcNAc修飾是CaMK2a促進(jìn)Stat1磷酸化及后續(xù)sEV miR-15-16分泌所必需的。進(jìn)一步實驗表明O-GlcNAc修飾的CaMK2a在體內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性。CaMK2a調(diào)節(jié)pri-miR-15/16的表達(dá)，并通過磷酸化Stat1影響心肌細(xì)胞。盡管糖尿病發(fā)病8周后開始的晚期胰島素治療無法減輕代謝記憶和防止心臟功能障礙的發(fā)展，但是探究糖尿病發(fā)病初期早期胰島素治療或O-GlcNAc修飾抑制劑（OSMI，1 mg/kg/天）是否能有效阻斷內(nèi)皮記憶信號和心臟損傷具有重要意義。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)O-GlcNA化直接介導(dǎo)糖尿病誘導(dǎo)的有害變化，而早期血糖控制能夠抑制代謝記憶信號傳導(dǎo)并預(yù)防糖尿病誘導(dǎo)的損傷。作者進(jìn)一步驗證了實驗結(jié)果的轉(zhuǎn)化適用性，從糖尿病個體和健康志愿者中提取了血漿sEVs，并通過多元分析發(fā)現(xiàn)血漿sEV miR-16-5p和miR-15b-5p在預(yù)防糖尿病患者心臟功能障礙方面具有轉(zhuǎn)化潛力。

圖4. 早期胰島素治療或O-GlcNAc修飾抑制可阻斷高血糖誘導(dǎo)的記憶信號并預(yù)防糖尿病性心肌損傷
結(jié)論
本研究表明糖尿病患者治療后盡管血糖恢復(fù)正常，但代謝記憶衍生的循環(huán)sEV miR-15-16對心肌細(xì)胞產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而持續(xù)的有害影響。高糖誘導(dǎo)的CaMK2a/O-GlcNA化的正反饋回路即使在GLU正常化后也能維持內(nèi)皮CaMK2a-Stat1通路的激活，該通路介導(dǎo)代謝記憶并促進(jìn)sEV miR-15-16的持續(xù)釋放。靶向內(nèi)皮O-GlcNAc-CaMK2a-Stat1通路或sEV miR-15-16為消除糖尿病代謝記憶及其相關(guān)并發(fā)癥提供了一種有前景的治療方法。