胡永艷，孔申申

(北京大學第一醫(yī)院實驗動物中心，北京 100034)

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綜述與專論

果蠅模型與心臟衰老遺傳機制

胡永艷，孔申申

(北京大學第一醫(yī)院實驗動物中心，北京 100034)

人類隨著年齡的增加，心臟功能逐漸減退，作為主要致死病因的心臟疾病隨年齡增加而大幅升高。在老齡化人口不斷上漲的今天，深入地了解遺傳因素和調節(jié)因子在心臟衰老過程中所扮演的角色顯得尤為必要。果蠅的心臟像人類一樣隨著年齡而功能減退，為了更好的利用果蠅心臟模型研究心臟衰老的遺傳學機制，為老年性心臟病基于分子靶向的診斷和治療提供更準確的證據，我們從比較醫(yī)學的角度總結了果蠅在心臟衰老過程中的特征，特別是遺傳因素對其的影響，涉及離子交換、營養(yǎng)敏感和收縮功能相關的基因。這些研究成果將為心臟衰老相關疾病的分子靶向診斷和靶向藥物治療提供理論依據，促進心血管疾病精準醫(yī)療的快速發(fā)展。

果蠅；心臟衰老；遺傳機制

現代生物醫(yī)藥的發(fā)展已經進入精準醫(yī)學時代，人類基因及其變異對疾病表型和治療反應的影響是靶向診斷和藥物靶向治療的工作基礎之一，通過對相關基因及其遺傳變異的功能研究，實現針對不同人群的精準醫(yī)療。對人類基因及其功能的研究是精準醫(yī)療發(fā)展的關鍵，而模式動物是基因功能研究的有力工具。

果蠅作為一種經典模式生物，是遺傳學研究的良好材料，除了具有壽命短,容易繁殖培養(yǎng)等特點外，其優(yōu)勢還在于已經完成全基因組序列分析并積累了大量遺傳學研究方法。通過相關遺傳學方法和技術,我們幾乎可以在果蠅中對任何一個基因進行特定時空的過表達及抑制表達或敲除,從而很方便地觀察和分析一個基因在體內的生物學功能。從遺傳的角度出發(fā)，盡管哺乳動物與果蠅親緣關系較遠,但果蠅與哺乳動物的多數信號傳導通路相關基因都具有保守性,而往往一個基因在哺乳動物中會具有多個拷貝,但在果蠅中通常只有一個拷貝,這就為用果蠅作為模式生物研究哺乳動物基因的功能提供了可能和極大的便利。

人口老齡化使全球心血管疾病死亡人數不斷增加[1]。心臟衰老是老年心血管疾病發(fā)生的重要因素，其被認為是心臟功能的有害衰退。在哺乳動物中,心臟功能衰退伴隨著許多與年齡相關的變化,如在心肌細胞數量減少,左室肥大、纖維化和膠原蛋白的積累[2-4]。心臟衰老導致老年人心血管死亡率和發(fā)病率增加。所以對心臟衰老機制的研究顯得愈發(fā)重要。而隨著遺傳學和分子生物學的飛速發(fā)展，心臟衰老機制的研究獲得很大進展。許多控制心臟發(fā)育的基因被證明在果蠅和哺乳動物中具有保守性。如第一個發(fā)現的果蠅tinman基因的脊椎動物同源基因Nkx2.5，已被證明能夠控制小鼠心臟發(fā)育[5-7]，成年果蠅心臟已經被用于研究心臟的功能和衰老[8-9]。同時，果蠅具有開放的循環(huán)系統(tǒng)(圖1),有一個線性心管位于背中線的腹部,和一個向上延伸至頭部的主動脈，三套內部瓣膜把腹部心臟分成前錐形腔和三個后腔室，四個心腔各包含一對外瓣膜,在舒張期允許血淋巴液進入心臟。由于果蠅使用導管系統(tǒng)直接向組織運輸氧氣,心臟功能不像脊椎動物那樣和生存緊密聯(lián)系，因此,果蠅能夠承受比哺乳動物更嚴重的心臟生理機能的遺傳改變，類似于脊椎動物心臟模型,也可以通過給予藥物刺激來研究果蠅心臟衰老[10-12]。這些發(fā)育特點和遺傳優(yōu)勢，使得果蠅的這個模型非常適合心臟衰老的病理生理學和遺傳學研究。本文將對果蠅模型在心臟衰老遺傳機制方面的研究進行綜述。

1 果蠅心臟衰老的比較醫(yī)學特征

1.1 隨年齡增長抵抗應激能力減弱

采用電起搏，高溫和缺氧處理等方法觀察應激下心臟的性能。電起搏方法研究表明果蠅心臟性能隨著年齡的增長而衰退[14]。且果蠅在青年時接受運動訓練能夠減少老年時心臟功能的下降[15]，這與在哺乳動物中觀察到的趨勢類似[16]。以類似電子起搏方式或者通過提高環(huán)境溫度給予刺激,果蠅心臟的最大心率隨年齡下降[17]。這些結果類似于在人類觀察到的最大心率下降與年齡相關[18]。缺氧處理下，青年和老年果蠅的心臟都暫時停止跳動，但能夠在短時間內恢復。青年果蠅恢復的要更快一些[10]。氧化應激是導致老年人心衰的常見致病機制，果蠅模型中同樣發(fā)現抑制氧化應激相關的基因，如JNK信號通路，隨著年齡的增長表達增加[19]。且發(fā)現在果蠅心臟過表達MafS基因能夠抵抗隨年齡增加的心律失常和心動周期，而MafS基因是氧化應激應答轉錄因子Nrf2的果蠅同源基因[20]。慢性應激刺激導致脊椎動物產生應激誘導的心臟肥大。研究表明果蠅在慢性刺激下也會導致異常的纖維形態(tài)和降低的終末舒張期心腔大小[21]。

1.2 隨年齡增長心律失常增加

研究發(fā)現1周齡果蠅心臟以相對穩(wěn)定的速率節(jié)律性收縮。高速率跳動方式隨年齡增加減弱，到5～7周時，大多數野生型表現出非節(jié)律的心臟收縮方式,包括頻繁的心搏停止和顫動[9]。果蠅心臟節(jié)律性隨年齡增長的變化類似于老年人房顫和心臟衰竭發(fā)病率的增加[22]。

1.3 隨年齡增長肌纖維組織排列不緊密

果蠅心管有兩種類型的肌纖維,它們具有不同的心肌纖維結構[23-24]：代表進行收縮工作的心肌層的螺旋形或橫向的肌原纖維表達轉錄因子tinman; 心管腹側面縱向的肌原纖維[25],其起源和具體功能尚未確定。在青年果蠅中這兩種類型的肌原纖維表現出緊密有序的排列,可以觀察到肌小節(jié)標志物如α-actinin[23]。而在老年果蠅中，螺旋形肌原纖維在一定程度上變得紊亂，肌原纖維間可見空隙且排列更不緊密[24]。同樣發(fā)現在老年犬心房中心肌纖維排列也不緊實[26],這表明果蠅心臟年齡相關的心肌纖維結構中變化的起因與哺乳動物的心臟衰老相關。是否哺乳動物心臟衰老中的其他方面的結構重構,如纖維化和膠原蛋白的集聚[27-28],也與老年果蠅的心臟功能異常相關，這是值得我們進一步研究的。

2 與果蠅心臟衰老相關基因

2.1 離子交換

盡管果蠅心臟體積較小,也適合分析青年和老年果蠅心臟的基因表達變化。例如，心臟性能年齡相關性降低與編碼鉀通道α亞單位的人類電壓門控鉀通道亞家族Q1(potassium voltage-gated channel, subfamily Q, member 1,KCNQ1)果蠅同系物及ATP敏感鉀離子通道(KATP)亞單位dSur的心臟RNA水平年齡依賴性降低一致[9]。在人類,KCNQ1參與心肌復極化,這個通道功能的改變增加患心律失常和心源性猝死的風險[29]。在果蠅,心臟KCNQ表達水平隨著年齡的增長而減少,KCNQ不足導致心臟功能受損，具體表現為年齡相關的心律失常不斷增加，和起搏器誘導心臟功能障礙的高易感性。與人類一樣,這些異?？梢员唤忉尀镵CNQ異常導致的心臟動作電位復極化能力不足。老年野生果蠅中心臟特異KCNQ過表達抑制升高的心律失常水平,這表明通常發(fā)生的衰老心臟中減少的KCNQ表達導致心律失常發(fā)生率的增加[9]。dSur在5周齡果蠅心臟的表達也顯著下降。心臟特異的RNAi調節(jié)的敲低或者dSur的藥物處理提示dSur通過起搏應激和缺氧刺激誘導的機能障礙來保護心臟功能[10],這哺乳動物KATP通道的作用相似[30]。例如,將老年果蠅暴露于吡那地爾(KATP通道激活劑)，能夠減少它們對于起搏誘導障礙的敏感性[10]。同時,這表明dSur活躍有助于年輕果蠅的心臟性能,然而它的活性隨著年齡的增長而下降。

2.2 營養(yǎng)敏感

胰島素-IGF受體(InR)信號通路在調節(jié)壽命的過程中發(fā)揮著保守的作用。在酵母、秀麗隱桿線蟲、果蠅和小鼠中系統(tǒng)地抑制這個通路已被證明能夠延長壽命[31]。然而,它在各個器官中參與衰老過程的調控還有待研究。編碼胰島素受體或者其亞單位的基因變異能延長果蠅壽命,具體表現為7周齡變異果蠅和1周齡對照果蠅的心臟功能類似。通過心臟特異過表達dPTEN(一種抑制PI3激酶的磷酸酶)或者轉錄因子dFoxO這兩種胰島素信號轉導通路負調控因子，致使胰島素信號通路受損僅發(fā)生在心肌細胞中時，也能引起心臟功能的減弱。值得注意的是,心臟特異過表達dPTEN或dFoxO并不影響整體壽命[14],這表明僅改變心臟性能不一定改變整體壽命以及胰島素通路對心臟衰老的影響與其通路對壽命的系統(tǒng)影響是非耦合的。

營養(yǎng)敏感性雷帕霉素靶蛋白激酶(TOR)信號通路在心臟衰老中具有重要作用[32-33]，該通路相關基因表達降低能夠延長壽命和延遲心臟衰老[31]。在許多水平上，TOR和胰島素通路相互聯(lián)系,提示這兩個通路可能通過上位互作和對共同靶點的調節(jié)控制心臟衰老。

實驗表明,d4eBP作用于心臟組織這兩個通路的下游。事實上,不管由dFoxO還是dTOR引起的心臟衰老表型皆能被d4eBP/eif4E抑制[34]。因此,胰島素或TOR信號通路下調引起的心臟衰老延遲，可能最終是由于d4eBP活動的增加。

2.3 收縮功能

直接參與形成收縮機制的結構蛋白變異與骨骼肌和心肌的不良表型相關[35]?？辜∥s蛋白-糖蛋白復合物連接細胞外機制和亞細胞膜骨架，其主要成分抗肌萎縮蛋白(dystrophin，Dys)基因變異能夠導致肌肉萎縮癥[36]。Dys基因缺陷的果蠅具有心肌擴張表型，以及幼年果蠅心肌纖維組織的過早破壞[37]。此外，肌纖維組織破壞在老年Dys突變果蠅中更為嚴重，具體表現為心肌肌原纖維間隙增大。這表明Dys在維持心肌生理完整性方面的必要性，且Dys缺陷也促進心臟結構衰老。此外, 盡管年老的野生型果蠅心率通常是降低的,Dys突變果蠅心率更快且不會因年齡的增加而減少?？傊?，觀察到的Dys缺陷果蠅隨年齡而產生的變化表明哺乳動物類營養(yǎng)不良心臟可能表現出相似的隨年齡下降，同時也提示這些變化至少加速心臟衰老的某些方面。較之于Dys突變，在體外抑制肌球蛋白活性的肌球蛋白變異(D45)能夠導致老年果蠅心率減慢[38]。較之于野生對照，早在中年(3周齡)時突變體果蠅即表現出心律不齊，且突變果蠅隨年齡增加的心率失常事件增多。較之于野生型，盡管果蠅的心肌纖維結構正常，D45突變果蠅的心管在各個年齡段都明顯擴張。這些變異也會導致心臟收縮性的降低，具體表現為測量縮短分數(fractional shortening, FS)。同人類相似，盡管在野生型果蠅FS通常隨年齡增長而下降，但是在功能減退的肌球蛋白變異中這個參數沒有隨年齡增長下降。

人類心臟衰老的特征是心肌細胞數量的減少以及適度的左室肥大[4]，但是野生型果蠅的心臟中沒有觀察到這種情況。可能是由于果蠅心臟中只有50對有絲分裂后細胞沿著心管分布，心肌細胞的減少會導致迅速和嚴重的損害。事實上，這種表型只在嚴重突變體中出現，如成年果蠅tinman缺陷[5]。另一方面，也應考慮到果蠅具有外骨骼(外角皮)，這導致成年果蠅羽化后難以進行額外的全身和組織生長。因此，老年昆蟲生長相關的心臟肥大(傳統(tǒng)意義上的)可能不容易誘導或發(fā)現。

3 果蠅模型在心臟衰老研究中的應用

由于果蠅這種模式動物的生理、遺傳特性以及研究心臟功能新技術的開發(fā)，研究人員發(fā)現了一些重要的調控心臟衰老新基因，并在哺乳動物進行更深一層次的基因功能研究。衰老的果蠅心臟還可以用來確定相關基因在調控機體衰老尤其是心臟功能方面發(fā)揮的顯著作用，相互作用模式，以及心臟功能不同方面相互連接形式。例如, 當通過減弱胰島素或TOR通路活動延緩心臟衰老的時候，dSur和KCNQ的表達是否如常。能夠改善老年果蠅心臟功能的KCNQ過表達也能夠改善年齡相關的心肌纖維損壞[8]。在果蠅心臟中進行的的基因及其相互作用的研究將為進一步的基因功能研究并進行分子靶向診斷疾病提供重要的工作基礎。同時，由于具有開放的循環(huán)系統(tǒng)，果蠅能夠承受比哺乳動物更嚴重的心臟生理機能的遺傳改變，可以通過給予藥物刺激來研究果蠅心臟衰老，所以果蠅心臟非常適合檢驗候選新藥延緩或治愈衰老相關心臟功能降低的能力。通過將藥物添加于食物，并通過完整的和半完整的心臟模型監(jiān)測其在果蠅生存中對心臟功能的影響，或者直接將藥物添加于人造血淋巴，并記錄灌注后離體果蠅心臟的跳動過程，在果蠅中能夠簡易地評估藥物對心臟功能的潛在影響[9，10，39]。這些給藥方法以及開發(fā)出的研究心臟功能和衰老的新的分析手段是定量分析藥物對心臟功能影響的有前景的方法。果蠅和哺乳動物之間的心臟功能具有保守性也表明，果蠅心臟模型可以用來在器官/組織水平初步篩選潛在致心律失常物質，為靶向藥物治療提供理論基礎。

4 總結

綜上所述，果蠅模型操作簡便、基因同源性高，且果蠅心臟與哺乳動物類似，會隨著年齡增長而功能衰退，這些都使得果蠅這個模型非常適合心臟衰老遺傳機制研究。果蠅模型已在心臟衰老相關離子交換、營養(yǎng)敏感和收縮功能等相關基因研究方面取得巨大進展，對果蠅模型心臟衰老遺傳機制的研究將為進一步心臟衰老相關疾病的分子靶向診斷和靶向藥物治療提供理論依據，促進心血管疾病精準醫(yī)療的快速發(fā)展。

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Drosophila as a model to study genetics of cardiac aging

HU Yong-yan, KONG Shen-shen

(Laboratory animal facility, Peking University First Hospital, Beijing 100034, China)

With age, cardiac performance declines progressively and the risk of heart disease, a primary cause of mortality, rises dramatically. As the elderly population continues to increase, it is critical to gain a better understanding of the genetic influences and modulatory factors that impact cardiac aging. As for the human heart, Drosophila heart function also deteriorates with age. Here，In order to better utilize the Drosophila heart model for genetic mechanism studies of cardiac aging, and supply more reliable evidences for molecular-guided diagnostics and therapeutics of age-related heart disease, we sum up the characteristics of cardiac aging of Drosophila in comparative medicine and review genetic factors contributing to cardiac aging, including genes involved in ion exchange, nutrient sensing, and contractile function. These achievements will provide a theoretical basis for molecular guided diagnostics and targeted drug therapied for cardiac aging related diseases, and promote the rapid development of precision medicine of cardiovascular disease.

Drosophila; Cardiac aging; Genetic mechanisms

北京大學第一醫(yī)院科研基金。

胡永艷(1986-)，女，助理研究員，研究方向：心血管遺傳學。E-mail： huyyg@163.com。

R-332

A

1671-7856(2016)11-0085-05

10.3969.j.issn.1671-7856. 2016.11.016

2016-07-05