Circ Res 北京大学第三医院肖晗和董尔丹团队揭示能量代谢激酶AMPK减轻交感β-AR过度激动导致心脏损伤的新机制

交感神经系统过度激活是导致心血管疾病进展的重要因素。交感应激时，儿茶酚胺释放增加，作用于心肌β-肾上腺素受体(β-AR)，加重心力衰竭、心肌梗死等心脏疾病的快速进展。β-AR拮抗剂(β-blockers)是治疗高血压、心衰的一线用药，然而β-blockers也会抑制β-AR介导的生理作用(如正性肌力等)，有禁忌症的患者使用受限。因此，阐明β-AR过度激动导致心肌损伤的关键调控机制，有助于为交感应激相关的心血管疾病提供新的干预策略。AMPK (AMP活化蛋白激酶)是一种重要的能量感受器，能通过磷酸化下游底物调节能量代谢，并具有心脏保护作用。然而，AMPK是否可调节β-AR下游的信号通路进而发挥心脏保护作用尚不清楚。

2024年7月31日，北京大学第三医院肖晗和董尔丹团队在Circulation Research杂志上发表题为“AMPK Attenuation of β-Adrenergic Receptor-Induced Cardiac Injury via Phosphorylation of β-Arrestin-1-ser330”的研究论文，首次揭示AMPK通过磷酸化β-arrestin-1-ser330位点减轻β-AR过度激动导致心脏损伤的分子机制。

首先，作者探究了AMPK激活对β-AR下游通路的影响。研究发现，使用AMPK激活剂二甲双胍(metformin)处理乳小鼠心肌细胞会明显抑制β-AR激动剂异丙肾上腺素(ISO)诱导的cAMP水平增加和PKA底物的磷酸化，但不影响β-AR下游非经典通路ERK或SRC的磷酸化水平。使用AMPK抑制剂Compound C或敲除AMPKα2，可减弱metformin对β-AR下游cAMP/PKA通路的抑制作用。

β-arrestin是β-AR下游重要的信号分子，参与受体减敏，抑制经典cAMP/PKA信号通路，并介导非经典MAPK通路等。因此，作者接着研究了AMPK与β-arrestin的关系。研究发现，AMPKα2可以与β-arrestin-1发生相互作用。AMPKα2激酶实验结合磷酸化质谱分析表明，AMPKα2可以磷酸化β-arrestin-1第330位点的丝氨酸(ser330)。的确，在原代乳鼠心肌细胞和小鼠心脏组织中，AMPK激活促进β-arrestin-1-ser330的磷酸化。

机制上，作者发现模拟β-arrestin-1-ser330磷酸化(过表达活性形式的β-arrestin-1-330D或S330D敲入小鼠)增加磷酸二酯酶4(PDE4)的表达及活性，PDE4能降解cAMP，从而显著降低心肌细胞及心脏组织中β-AR激活诱导的cAMP蓄积和下游PKA底物的磷酸化。心脏转录组学显示，异丙肾上腺素处理的S330A(失活形式)敲入小鼠和S330D(激活形式)敲入小鼠之间的差异表达基因主要参与免疫过程和炎症反应。的确，作者发现β-arrestin-1-ser330磷酸化抑制β-AR激活引起的心肌ROS产生和炎症小体激活，减轻心肌炎症因子的释放。在S330D(激活形式)敲入小鼠中，β-AR激活的cAMP/PKA通路减弱，抑制心肌炎性小体活化和促炎细胞因子表达，巨噬细胞浸润减轻。

最后，作者探究了β-arrestin-1-ser330位点磷酸化对β-AR引起的心脏结构和功能的影响。结果发现，给予异丙基肾上腺素激活β-AR后，与S330A(失活形式)敲入小鼠相比， S330D(激活形式)敲入小鼠心肌纤维化减轻，心功能改善。AMPK激活无法对S330A(失活形式)敲入小鼠发挥心脏保护作用。

综上，本研究表明，AMPK通过结合并磷酸化β-arrestin-1-ser330位点，增加心肌PDE4的表达和活性，从而减弱β-AR激活的cAMP/PKA通路，抑制下游炎症小体活化及心脏重构。运动或药物(如二甲双胍)均可激活AMPK。通过新定义的磷酸化底物β-arrestin-1, 激活的AMPK可减轻β-AR过度激活导致的心脏炎症和纤维化。值得注意的是，在人心脏中，PDE4不影响心脏收缩反应(基础状态下及儿茶酚胺刺激情况下)。因此，AMPK/β-arrestin-1 Ser330/PDE4通路可能发挥了类似β-blockers的作用，但无负性肌力等副作用。本研究阐明了经典的代谢激酶AMPK通路和β-AR信号通路之间的交互作用，为干预交感应激所致心肌损伤提供了新的见解。

北京大学第三医院心血管内科肖晗教授和董尔丹教授为论文的共同通讯作者。北京大学第三医院心血管内科副研究员赵明明、北京友谊医院心内科助理研究员曹宁和北京大学前沿交叉学科研究院博士生谷慧君为本文共同第一作者。该课题得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等项目的资助。

原文链接：

https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.124.324762