《Advanced Science》：TrxR2 Lactylation Facilitates Mitochondrial Protection and Endothelial Ferroptosis Resistance in Diabetic Cardiomyopathy
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本文聚焦于糖尿病心肌病(DCM)中心肌微血管內皮功能障礙這一關鍵臨床難題，研究揭示了線粒體硫氧還蛋白還原酶2(TrxR2)及其在賴氨酸340位點的乳酸化修飾(K340 lactylation)在保護線粒體功能、促進線粒體自噬(mitophagy)、抑制線粒體相關鐵死亡(mitochondria-associated ferroptosis)方面的核心機制。研究發現，在糖尿病狀態下，內皮細胞TrxR2缺失會加劇線粒體功能障礙和微血管損傷；而TrxR2過表達或其激動劑庫科胺B(Kuk B)可通過促進固醇載體蛋白2(SCP2)降解、阻斷長鏈脂酰輔酶A合成酶4(ACSL4)的線粒體轉位，并維持線粒體翻譯延伸因子(TUFM)表達以激活AMPK介導的線粒體自噬，從而抑制鐵死亡。研究還發現，糖尿病心臟中積累的乳酸被線粒體氨酰-tRNA合成酶2(AARS2)利用，催化了TrxR2的K340乳酸化，該修飾能補償性地增強線粒體TrxR(mitoTrxR)活性，增強鐵死亡抵抗。該研究為糖尿病心血管并發癥的防治提供了新靶點(TrxR2及其乳酸化修飾)和潛在治療策略(如Kuk B)。
糖尿病心肌病(DCM)是糖尿病患者心力衰竭和心血管死亡的主要原因之一，其中心肌微血管內皮細胞(EC)功能障礙是關鍵病理環節。線粒體功能障礙，特別是線粒體相關的鐵死亡(mitochondria-associated ferroptosis)，是驅動EC損傷和微血管功能障礙的核心機制。然而，保護線粒體、調控鐵死亡的內源性機制尚不完全清楚。硫氧還蛋白還原酶2(TrxR2)是線粒體抗氧化系統的關鍵成員，本研究旨在闡明內皮TrxR2在DCM中對抗微血管損傷的具體作用與分子機制。
研究發現，在糖尿病小鼠模型(db/db小鼠)和糖脂毒性(HG/PA)處理的EC中，TrxR2表達發生變化。通過構建內皮細胞特異性TrxR2敲除(TrxR2EC-KO)小鼠，并結合腺相關病毒(AAV)介導的內皮特異性TrxR2過表達以及TrxR2抑制劑MitoCur-1的應用，研究證實TrxR2對維持線粒體功能至關重要。TrxR2缺陷會顯著抑制線粒體TrxR(mitoTrxR)活性，加劇線粒體氧化應激、膜電位下降和呼吸功能障礙，進而導致心臟微血管密度降低、灌注不足、內皮依賴性血管舒張受損以及心肌纖維化和舒張功能障礙。相反，TrxR2過表達或使用其激動劑庫科胺B(Kukoamine B, Kuk B)則能逆轉這些損傷。
深入機制探索揭示，TrxR2的保護作用與其抑制鐵死亡密切相關。轉錄組學分析顯示，TrxR2過表達顯著下調了鐵死亡相關通路及關鍵促鐵死亡基因ACSL4的表達。脂質組學分析進一步證實，TrxR2能減少花生四烯酸(AA)和腎上腺酸(AdA)來源的氧化磷脂酰乙醇胺(PE)的生成，這些都是鐵死亡的關鍵脂質過氧化(LPO)產物。TrxR2通過一個多步驟的級聯反應抑制線粒體鐵死亡：
首先，TrxR2通過清除活性氧(ROS)，維持了線粒體翻譯延伸因子TUFM的蛋白水平。TUFM對于AMPK的線粒體轉位至關重要。TrxR2通過這一途徑促進了磷酸化AMPK向線粒體的轉位。線粒體AMPK進而磷酸化線粒體自噬受體FUNDC1的第17位絲氨酸(p-FUNDC1Ser17)，激活了FUNDC1依賴的線粒體自噬。
其次，激活的線粒體自噬通過兩個平行通路發揮保護作用：(1) 促進固醇載體蛋白2(SCP2)的降解。SCP2負責將ACSL4轉運至線粒體，其降解有效阻斷了ACSL4的線粒體定位。(2) 直接降解線粒體上的ACSL4。ACSL4是催化多不飽和脂肪酸(PUFAs)酯化生成易過氧化脂質的關鍵酶，其在線粒體的積累會驅動線粒體脂質過氧化(mitoLPO)和鐵死亡。因此，TrxR2-TUFM-AMPK-FUNDC1軸激活的線粒體自噬，通過清除線粒體ACSL4，有效遏制了線粒體鐵死亡。
研究還發現了一個新穎的翻譯后修飾調控層：糖尿病心臟中，糖酵解增強導致乳酸積累。線粒體氨酰-tRNA合成酶2(AARS2)利用乳酸-CoA作為供體，催化了TrxR2蛋白第340位賴氨酸(K340)發生乳酸化(lactylation)。質譜分析和定制乳酸化抗體證實了這一修飾位點。TrxR2 K340R突變（模擬去乳酸化）削弱了其促進線粒體自噬和抑制鐵死亡的能力。而補充外源性乳酸鈉(NaLa)或提高醛脫氫酶2(ALDH2)活性（增加乳酰-CoA供應）可增強TrxR2乳酸化，補償性地提升mitoTrxR活性，進而增強線粒體自噬和鐵死亡抵抗。相反，抑制乳酸脫氫酶A(LDHA)則會削弱這一保護效應。
此外，研究探討了ACSL4線粒體轉位的具體機制。發現SCP2作為ACSL4的伴侶蛋白，與其存在直接相互作用，并將ACSL4錨定在線粒體外膜蛋白Tomm20上。TrxR2過表達或Kuk B處理通過促進SCP2經分子伴侶介導的自噬(CMA)途徑降解，破壞了ACSL4-SCP2-Tomm20復合物，從而阻止ACSL4進入線粒體。
最后，體內實驗全面驗證了上述機制。在多種糖尿病小鼠模型（db/db、HFD/STZ誘導）中，內皮特異性過表達TrxR2、施用Kuk B或乳酸鈉，均能顯著改善心臟微血管功能（增加灌注、減少滲漏、減輕炎癥），減輕心肌肥大和纖維化，并提升心功能。而內皮特異性敲除TrxR2、SCP2或TUFM，則加重了糖尿病引起的心臟損傷�；蚯贸屯炀葘嶒炦M一步證實，TrxR2的保護作用依賴于TUFM、AMPK線粒體轉位及FUNDC1介導的線粒體自噬通路。
綜上所述，本研究揭示了內皮TrxR2及其乳酸化修飾在DCM中的核心保護作用：TrxR2通過清除ROS維持TUFM表達，促進AMPK線粒體轉位和FUNDC1磷酸化，激活線粒體自噬；線粒體自噬進而通過降解SCP2和線粒體ACSL4，抑制線粒體脂質過氧化和鐵死亡，最終維護心肌微血管完整性。糖尿病相關的乳酸積累通過AARS2介導的TrxR2 K340乳酸化，正反饋增強這一通路。該研究不僅闡明了糖尿病心肌微血管病變的新機制，也為針對TrxR2乳酸化-線粒體自噬軸開發治療DCM的新策略（如Kuk B）提供了堅實的理論依據。
