nat. metab.(IF=20.8)｜北医三院徐明教授团队：TGR5抑制脂肪酸摄取预防糖尿病性心肌病的机制新解

英文标题：Inhibition of fatty acid uptake by TGR5 prevents diabetic cardiomyopathy

中文标题：TGR5通过抑制脂肪酸摄取可预防糖尿病性心肌病

发表期刊：nature metabolism

影响因子：20.8

研究背景

糖尿病性心肌病(Diabetic Cardiomyopathy, DbCM)的核心特征为心肌脂质堆积与心功能障碍，而代谢失衡尤其是脂质代谢紊乱在其中起关键作用。脂肪酸作为心脏主要能量底物，其代谢异常（如摄取、合成与消耗失衡）可引发细胞脂毒性并破坏能量供应。CD36作为主要脂肪酸转运蛋白，在糖尿病中过度活跃导致脂肪酸摄取增加，但具体调控机制尚不明确。胆汁酸代谢通过受体TGR5参与多种代谢疾病调节，且糖尿病患者及动物模型中存在胆汁酸水平异常。尽管已知TGR5在心脏中表达并参与心肌保护，但其通过胆汁酸信号调控心脏代谢稳态、尤其是与CD36介导的脂肪酸摄取之间的关联仍不清晰。基于此，本研究聚焦TGR5在DbCM中的作用，探索其对心肌脂质代谢的调控机制及治疗潜力。

技术路线

研究结果

1、心脏特异性TGR5缺失加重心功能障碍

通过构建两种DbCM小鼠模型——HFD/STZ诱导型（处理24周）和db/db遗传型（TGR5ΔCM小鼠与同窝对照），探究胆汁酸代谢物DCA及其受体TGR5在糖尿病性心脏损伤中的作用（图1）。HFD/STZ模型中，小鼠血浆和心脏组织中DCA水平显著下降（图1b-c），伴心肌肥大（心房利钠肽ANP、脑利钠肽 BNP、β-肌球蛋白重链β-MHC蛋白水平升高，图1l-m）和纤维化（图1i-k）；db/db遗传模型中，TGR5ΔCM小鼠较对照(db/db TGR5fl/fl)表现出更严重的心功能恶化。

心脏特异性敲低TGR5(TGR5ΔCM)未显著改变体重、血糖、胰岛素等基础代谢指标，但导致收缩/舒张功能恶化：HFD/STZ诱导的TGR5ΔCM小鼠左室整体纵向应变(GLS)、射血分数(EF)、缩短分数(FS)显著下降，舒张功能指标E/E’比值升高（图1d-h），且在雄性和雌性小鼠中结果一致。组织学显示，TGR5缺失加重心肌细胞肥大（图1j）和纤维化（图1k）。两种模型均证实，TGR5缺失特异性加剧DbCM表型，提示其在糖尿病心脏保护中的关键作用（图1i-m）。

图1. 心脏特异性缺失TGR5会加重HFD/STZ诱导的DbCM小鼠的心功能障碍和重构

2、TGR5缺失促进心肌脂质积累

为探究心功能障碍的潜在机制，研究者评估了心肌脂质代谢水平。在HFD/STZ诱导的TGR5fl/fl小鼠和db/db遗传模型小鼠(db/db TGR5fl/fl)中，TGR5ΔCM小鼠心肌脂质积累显著增加：Oil Red O染色和BODIPY 493/503荧光染色显示中性脂质沉积增多（图2a-c），心肌TG水平升高（图2d）；原代心肌细胞实验表明，TGR5ΔCM细胞经棕榈酸+油酸(PA+OA)处理后，脂滴荧光强度增加（图2e）。透射电镜(TEM)显示，TGR5ΔCM小鼠心肌脂滴数量增加、直径增大（图2f-h）。

脂质组学分析显示，TGR5ΔCM小鼠心脏组织中FFA、DG、TG水平显著上调（图2i-j），长链不饱和脂肪酸（如C18:1、C20:2）比例显著升高（图2k）。两种糖尿病模型均表明，TGR5缺失通过促进脂肪酸摄取和储存，导致心肌脂质过度积累（图2a-k），为DbCM的脂毒性机制提供了直接证据。

图2. TGR5缺失促进HFD/STZ诱导的DbCM小鼠心肌脂质积累

3、激活TGR5可预防心功能障碍和心脂毒性

为了评估TGR5对预防心脏脂毒性的影响，研究者给db/db小鼠灌胃TGR5激动剂INT-777。处理12周后，db/db小鼠心脏收缩和舒张功能显著提升，但这一效果在TGR5缺失的db/db TGR5ΔCM小鼠中消失，表明TGR5是功能改善的必要条件（图3a-e）。INT-777治疗显著减轻db/db小鼠心肌细胞肥大和纤维化，并减少心肌脂质积累，但上述效应同样依赖于TGR5的存在（图3f-j）。脂质组学显示，INT-777处理的db/db小鼠心肌中FFA、DG和TG水平显著降低，长链不饱和脂肪酸含量减少（图3k-m）。这些结果表明，TGR5激活可能抑制心肌脂质积累，提示TGR5是一个潜在的治疗靶点，激活TGR5是糖尿病性心肌病的潜在治疗靶点。

图3. TGR5特异性激动剂INT-777可预防db/db小鼠心功能障碍和心脂毒性

4、TGR5抑制脂肪酸摄取和CD36的质膜定位

为探究TGR5对心脏脂质代谢的调控机制，研究者评估了脂肪酸摄取和脂肪酸氧化(FAO)功能。通过静脉注射BODIPY荧光共轭脂肪酸，发现糖尿病TGR5ΔCM小鼠心肌组织对长链脂肪酸（如BODIPY C16）的摄取显著增加，而TGR5激动剂INT-777治疗可明显减少该摄取（图4a-c）。体外实验进一步证实，TGR5缺失的原代心肌细胞对脂肪酸的摄取增强，INT-777处理则抑制这一过程（图4d-e）。在FAO方面，TGR5缺陷心肌细胞对外源性脂肪酸的利用减少，导致基础呼吸和最大呼吸能力下降，提示TGR5通过抑制脂肪酸摄取维持心肌细胞的FAO和线粒体功能。

CD36作为心脏长链脂肪酸摄取的主要调节因子，其功能依赖于质膜(PM)定位。研究发现，TGR5ΔCM小鼠心肌中CD36的质膜定位显著增加，而INT-777 治疗可降低其定位（图4g-h）。机制上，TGR5缺失促进CD36与Src家族激酶Fyn和Lyn的结合，形成信号复合物（图4j-l），INT-777治疗则逆转这一效应（图4m-o）。这些结果表明，TGR5通过抑制CD36-Fyn-Lyn复合物的组装，减少CD36质膜定位，从而抑制脂肪酸摄取，解释了TGR5ΔCM小鼠心脏脂毒性的机制。

图4. TGR5减少长链脂肪酸摄取和CD36在心肌细胞PM上的定位

5、TGR5-DHHC4信号调控CD36棕榈酰化

棕榈酰化是一种关键的翻译后修饰，通过增强亲脂性调节蛋白质的亚细胞分布和功能。鉴于其与膜蛋白质膜定位的关联，研究者利用酰基生物素交换(ABE)分析法，检测HFD/STZ诱导和db/db糖尿病小鼠心脏中CD36的棕榈酰化水平。结果显示，糖尿病小鼠心脏中棕榈酰化CD36水平显著升高，且在HFD/STZ诱导的糖尿病模型中，TGR5ΔCM小鼠的CD36棕榈酰化水平较TGR5fl/fl小鼠进一步升高（图5a-b）。TGR5受体激动剂INT-777可显著降低CD36棕榈酰化水平（图5c）。使用2-溴棕榈酸(2-BP)抑制棕榈酰化后，心肌细胞的脂肪酸摄取和脂质积累显著减少，表明TGR5通过抑制CD36棕榈酰化发挥作用（图5d-f）。

CD36棕榈酰化主要由棕榈酰转移酶DHHC4介导（DHHC5无显著作用）。机制上，TGR5缺失增强了CD36与DHHC4的结合，而INT-777处理可抑制该结合（图5g-i）。敲低DHHC4(siDHHC4)后，CD36棕榈酰化水平显著降低，证实DHHC4是CD36棕榈酰化的关键调控因子，且TGR5对CD36棕榈酰化的调控依赖于DHHC4（图5j）。此外，TGR5通过cAMP-PKA信号通路发挥作用：INT-777激活内源性PKA，促进DHHC4磷酸化，而PKA抑制剂(PKI)可完全阻断这一效应。这些数据表明，TGR5-DHHC4信号通路通过调控CD36棕榈酰化，影响心肌细胞的脂肪酸摄取和脂质积累。

图5. TGR5通过DHHC4抑制CD36棕榈酰化

6、DHHC4敲低可缓解TGR5缺陷小鼠的心功能障碍

为验证DHHC4在TGR5缺失导致心功能障碍中的作用，研究者通过尾静脉输注AAV9-cTNT-DHHC4，在HFD/STZ诱导的TGR5fl/fl和TGR5ΔCM小鼠中构建心肌细胞特异性DHHC4敲低(DHHC4-KD)模型。结果显示，DHHC4-KD有效改善了HFD/STZ诱导的心脏收缩和舒张功能，显著逆转了TGR5ΔCM小鼠的心功能恶化（图6b-f）。

组织学分析表明，DHHC4-KD显著减少心肌脂质积累，Oil Red O和BODIPY 493/503染色显示脂质沉积明显降低（图6g-i）。分子机制上，DHHC4-KD 降低了CD36的棕榈酰化水平及其在质膜的定位（图6j-m），并显著减少心肌对长链脂肪酸的摄取（图6n）。这些发现证实，TGR5缺失所致的心肌脂质积累增加和心功能障碍依赖于DHHC4的激活，进一步支持TGR5-DHHC4信号通路在糖尿病性心肌病中的关键作用。

图6. DHHC4敲低可改善TGR5缺乏对HFD/STZ诱导的DbCM小鼠的有害影响

7、DCA与糖尿病心肌损伤的关系

为探究胆汁酸水平与糖尿病心肌损伤的关联，研究者对健康参与者、2型糖尿病(T2DM)合并左心室肥厚(LVH)及心力衰竭(HF)患者的血浆胆汁酸进行代谢组学分析。结果显示，T2DM合并LVH和HF患者的脱氧胆酸(DCA)、牛磺胆酸(TCA)水平显著降低，其中DCA在HF患者中下降更为明显（图7a）。性别亚组分析表明，男性和女性T2DM患者的DCA水平均显著降低，但性别间无统计学差异（图7b-d）。相关性分析显示，血浆DCA水平与N端前B型利钠肽(NT-proBNP)呈负相关（图7e），与左室射血分数呈正相关（图7f）。这些发现表明，胆汁酸-TGR5通路参与DbCM的发生发展，其相关胆汁酸水平可能作为DbCM的潜在诊断标志物。

图7. TGR5偏向性胆汁酸水平降低与糖尿病心肌损伤有关

研究结论

本研究揭示了心脏脂肪酸摄取的调控新机制：胆汁酸受体TGR5可预防HFD/STZ诱导或2型糖尿病遗传模型（db/db小鼠）的DbCM发展。研究证实，TGR5通过抑制棕榈酰转移酶DHHC4介导的CD36棕榈酰化修饰，阻断CD36在质膜的定位，从而减少心肌细胞的脂肪酸摄取和脂质积累。此外，糖尿病心肌损伤小鼠及合并心力衰竭的糖尿病患者中，TGR5偏向性胆汁酸脱氧胆酸(DCA)水平显著降低，且血浆DCA水平与心脏功能指标密切相关。这些发现突出了TGR5-DHHC4通路作为DbCM保护的关键调控轴，为干预DbCM脂质代谢提供了潜在治疗靶点。