DOI: https://doi.org/10.1038/s41392-024-01816-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38744811
تاريخ النشر: 2024-05-15
المؤلف: Peng Fu وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيرتوينات والريسفيراترول في الطب
نظرة عامة
Sirtuin 3 (SIRT3) هو إنزيم ديستيلز يعتمد على NAD+ في الميتوكوندريا، مرتبط بتنظيم الإجهاد التأكسدي، والتمثيل الغذائي، وإنتاج ATP، مع أدلة ناشئة تربطه بالتليف القلبي وفشل القلب (HF). تحدد هذه الدراسة منشطًا جديدًا لجزيئات صغيرة لـ SIRT3، 2-APQC، تم تطويره من خلال تصميم الأدوية القائم على الهيكل. في نماذج الفئران في المختبر وفي الجسم الحي، أظهر 2-APQC القدرة على التخفيف من تضخم القلب الناتج عن الإيزوبروترينول (ISO) والتليف القلبي. ومن الجدير بالذكر أن تأثيراته الوقائية كانت غائبة في الفئران التي تم حذف SIRT3 منها، مما يبرز ضرورة SIRT3 لعمله.
ميكانيكيًا، وُجد أن 2-APQC يثبط مسارات الإشارات الرئيسية، بما في ذلك mTOR-p70S6K، JNK، وTGF-β/Smad3، مما يحسن تضخم القلب والتليف. كشفت تحليلات تسلسل RNA عن ارتباط كبير بين محور SIRT3-البيرولين-5-كربوكسيلاز 1 (PYCR1) وفشل القلب. من خلال تنشيط PYCR1، عزز 2-APQC التمثيل الغذائي للبروتين في الميتوكوندريا وأوقف مسار ROS-p38 MAPK، مما يوفر الحماية ضد الضرر التأكسدي الميتوكوندري الناتج عن ISO. بالإضافة إلى ذلك، ساعد تنشيط 2-APQC لـ SIRT3 في تسهيل محور AMPK-Parkin، مما يقلل من النخر الناتج عن ISO. بشكل جماعي، تضع هذه النتائج 2-APQC كمرشح واعد للعلاجات المستقبلية لفشل القلب من خلال تنظيم التوازن الميتوكوندري وتخفيف تضخم القلب والتليف.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تعقيدات فشل القلب (HF)، مع تسليط الضوء على ارتباطه بتضخم القلب، والتليف، ومجموعة متنوعة من الأمراض القلبية الوعائية. يعمل تضخم القلب كآلية تعويضية استجابةً لخلل القلب، مما يساهم في إعادة تشكيل مرضية واضطرابات في استقلاب الطاقة. تؤكد الورقة على دور Sirtuin 3 (SIRT3)، وهو إنزيم ديستيلز هيستون ميتوكوندري، في التخفيف من هذه القضايا من خلال تنظيم ديناميات الميتوكوندريا والإجهاد التأكسدي. لقد أظهر SIRT3 أنه يحمي خلايا القلب من التضخم والتليف، مما يشير إلى أن تنشيطه قد يكون استراتيجية علاجية واعدة لفشل القلب.
يحدد المؤلفون 2-APQC كمنشط جديد لجزيئات صغيرة لـ SIRT3، والذي يرتبط بأماكن محددة بالقرب من موقع ارتباط NAD⁺. يؤثر هذا المركب على مسارات الإشارات الحرجة، بما في ذلك mTOR-p70S6K وTGF-β/Smad3، مما يقلل بشكل فعال من تضخم القلب والتليف الناتج عن الإيزوبروترينول في نماذج في المختبر وفي الجسم الحي. علاوة على ذلك، تكشف تحليلات RNA-Seq أن 2-APQC يحمي خلايا القلب من الإجهاد التأكسدي ويحسن وظيفة القلب من خلال تنشيط محور SIRT3-PYCR1 وإشارات AMPK-Parkin. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن 2-APQC يمكن أن يكون مرشح دوائي محتمل لعلاج فشل القلب من خلال تعزيز التوازن الميتوكوندري وتخفيف إعادة تشكيل القلب.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام ذكور الفئران SD ونموذج الفئران المحذوفة لـ SIRT3 للتحقيق في نمذجة فشل القلب (HF) وتأثيرات العلاجات المختلفة. تم تقسيم الفئران إلى سبع مجموعات، حيث تلقت جميع المجموعات باستثناء مجموعة التحكم حقنًا تحت الجلد بجرعة 5 ملغ/كغ/يوم من الإيزوبروترينول (ISO) لمدة أسبوعين. بعد إنشاء نموذج فشل القلب، تلقت مجموعات العلاج جرعات مختلفة من 2-APQC (10، 20، و30 ملغ/كغ/يوم) أو أدوية قياسية (10 ملغ/كغ/يوم من الهونوكيوول والميتوبرولول). تم تقييم وظيفة القلب وهيكله من خلال تخطيط صدى القلب، والتحليل النسيجي، وقياس مؤشر كتلة القلب بعد أربعة أسابيع من العلاج.
وبالمثل، تم تقسيم الفئران المحذوفة لـ SIRT3 والفئران من النوع البري إلى ست مجموعات، مع بروتوكول علاج ISO الذي يعكس بروتوكول الفئران. تلقت مجموعة ISO + 2-APQC حقنة داخل البطن بجرعة 42 ملغ/كغ من 2-APQC. شملت التقييمات النسيجية الكيمياء المناعية، وصبغ الهيماتوكسيليين والإيوزين، وصبغ سيريوس الأحمر، وصبغ WGA لتقييم مورفولوجيا الأنسجة وخصائص الخلايا. تم تحليل الأقسام الملونة باستخدام برنامج Image-Pro Plus 6.0 وبرنامج ImageJ لت quantifying العلامات النسيجية ذات الصلة، مع ضمان الامتثال للإرشادات المؤسسية طوال الإجراءات التجريبية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط واضح بين المتغيرات قيد التحقيق، مع إظهار التحليلات الإحصائية قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية والمخططات، التي توضح الاتجاهات والعلاقات الملاحظة. تعزز هذه المساعدات البصرية من فهم النتائج، مما يسهل تفسير تداعيات النتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في الجسم المعرفي القائم وتوفر أساسًا لتوجهات البحث المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحديد الجزيء الصغير 2-APQC كمنشط محتمل لـ SIRT3 من خلال نهج الفحص الافتراضي القائم على الهيكل. تم تقييم أفضل المرشحين من حيث نشاطهم في إزالة الأسيتيل من SIRT3، حيث أظهر 2-APQC أعلى فعالية وملف أمان. وقد أظهر أنه يعزز إزالة الأسيتيل من الركائز المعروفة لـ SIRT3، مثل MnSOD2، ويحسن إصابة القلب في نماذج فشل القلب الناتجة عن الإيزوبروترينول (ISO) في كل من المختبر وفي الجسم الحي. تم تحديد تفاعلات الربط لـ 2-APQC مع SIRT3، مما يكشف عن وجود روابط هيدروجينية وتفاعلات كارهة للماء كبيرة، تم تأكيدها من خلال الرنين المغناطيسي السطحي واختبارات التحول الحراري الخلوي.
علاوة على ذلك، كانت التأثيرات الواقية للقلب لـ 2-APQC مرتبطة بقدرته على تنشيط SIRT3، مما يؤدي إلى تثبيط تضخم القلب والتليف من خلال تعديل مسارات الإشارات AKT/mTOR/p70S6K وTGF-β/Smad3. في نماذج الفئران المحذوفة لـ SIRT3، كانت التأثيرات الواقية لـ 2-APQC متضائلة، مما يبرز أهمية تنشيط SIRT3 في آلية عمله. كشفت التحليلات الجينومية أن 2-APQC ينظم الجينات المرتبطة بوظيفة الميتوكوندريا والإجهاد التأكسدي، مما يشير إلى أن تأثيراته الواقية للقلب قد تكون متوسطة من خلال تعزيز تخليق البروتين وتقليل الإجهاد التأكسدي. بشكل عام، تضع هذه النتائج 2-APQC كمرشح علاجي واعد لعلاج فشل القلب من خلال استهداف SIRT3.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41392-024-01816-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38744811
Publication Date: 2024-05-15
Author(s): Peng Fu et al.
Primary Topic: Sirtuins and Resveratrol in Medicine
Overview
Sirtuin 3 (SIRT3) is a mitochondrial NAD+-dependent deacetylase implicated in regulating oxidative stress, catabolism, and ATP production, with emerging evidence linking it to cardiac fibrosis and heart failure (HF). This study identifies a novel small-molecule SIRT3 activator, 2-APQC, developed through structure-based drug design. In both in vitro and in vivo rat models, 2-APQC demonstrated the ability to mitigate isoproterenol (ISO)-induced cardiac hypertrophy and myocardial fibrosis. Notably, its protective effects were absent in SIRT3 knockout mice, underscoring the necessity of SIRT3 for its action.
Mechanistically, 2-APQC was found to inhibit key signaling pathways, including mTOR-p70S6K, JNK, and TGF-β/Smad3, thereby improving cardiac hypertrophy and fibrosis. RNA sequencing analyses revealed a significant association between the SIRT3-pyrroline-5-carboxylate reductase 1 (PYCR1) axis and HF. By activating PYCR1, 2-APQC enhanced mitochondrial proline metabolism and inhibited the reactive oxygen species (ROS)-p38 MAPK pathway, protecting against ISO-induced mitochondrial oxidative damage. Additionally, 2-APQC’s activation of SIRT3 facilitated the AMPK-Parkin axis, reducing ISO-induced necrosis. Collectively, these findings position 2-APQC as a promising candidate for future HF therapeutics by regulating mitochondrial homeostasis and alleviating myocardial hypertrophy and fibrosis.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the complexities of heart failure (HF), highlighting its association with myocardial hypertrophy, fibrosis, and various cardiovascular diseases. Myocardial hypertrophy serves as a compensatory mechanism in response to cardiac dysfunction, contributing to pathological remodeling and energy metabolism disturbances. The paper emphasizes the role of Sirtuin 3 (SIRT3), a mitochondrial histone deacetylase, in mitigating these issues by regulating mitochondrial dynamics and oxidative stress. SIRT3 has been shown to protect cardiomyocytes from hypertrophy and fibrosis, suggesting that its activation could be a promising therapeutic strategy for HF.
The authors identify 2-APQC as a novel small-molecule activator of SIRT3, which binds to specific pockets near the NAD⁺-binding site. This compound influences critical signaling pathways, including mTOR-p70S6K and TGF-β/Smad3, effectively reducing isoproterenol-induced myocardial hypertrophy and fibrosis in both in vitro and in vivo models. Furthermore, RNA-Seq analyses reveal that 2-APQC protects cardiac cells from oxidative stress and improves cardiac function by activating the SIRT3-PYCR1 axis and AMPK-Parkin signaling. Overall, the findings suggest that 2-APQC could serve as a potential drug candidate for HF treatment by enhancing mitochondrial homeostasis and alleviating cardiac remodeling.
Methods
In this study, male SD rats and SIRT3 knockout model mice were utilized to investigate heart failure (HF) modeling and the effects of various treatments. The rats were divided into seven groups, with all but the control group receiving subcutaneous injections of 5 mg/kg/d isoproterenol (ISO) for two weeks. Following HF model establishment, the treatment groups received different doses of 2-APQC (10, 20, and 30 mg/kg/d) or standard medications (10 mg/kg/d honokiol and metoprolol). The evaluation of heart function and structure was conducted through echocardiography, histological analysis, and measurement of heart mass index four weeks post-treatment.
Similarly, SIRT3 knockout and wild-type mice were divided into six groups, with the ISO treatment protocol mirroring that of the rats. The ISO + 2-APQC group received an intraperitoneal injection of 42 mg/kg of 2-APQC. Histological assessments included immunohistochemistry, hematoxylin and eosin staining, Sirius red staining, and WGA staining to evaluate tissue morphology and cellular characteristics. The stained sections were analyzed using Image-Pro Plus 6.0 and ImageJ software to quantify relevant histological markers, ensuring compliance with institutional guidelines throughout the experimental procedures.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses posed in the study. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses demonstrating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, such as plots and charts, which illustrate the trends and relationships observed. These visual aids enhance the understanding of the results, making it easier to interpret the implications of the findings. Overall, the results contribute to the existing body of knowledge and provide a foundation for future research directions.
Discussion
In this study, the small molecule 2-APQC was identified as a potential activator of SIRT3 through a structure-based virtual screening approach. The top candidates were evaluated for their SIRT3 deacetylation activity, with 2-APQC demonstrating the highest efficacy and safety profile. It was shown to enhance the deacetylation of known SIRT3 substrates, such as MnSOD2, and improve myocardial injury in isoproterenol (ISO)-induced heart failure models both in vitro and in vivo. The binding interactions of 2-APQC with SIRT3 were characterized, revealing significant hydrogen bonding and hydrophobic interactions, which were confirmed by surface plasmon resonance and cellular thermal shift assays.
Furthermore, 2-APQC’s cardioprotective effects were linked to its ability to activate SIRT3, leading to the inhibition of myocardial hypertrophy and fibrosis through modulation of the AKT/mTOR/p70S6K and TGF-β/Smad3 signaling pathways. In SIRT3 knockout models, the protective effects of 2-APQC were diminished, underscoring the importance of SIRT3 activation in its mechanism of action. Transcriptomic analysis revealed that 2-APQC regulates genes associated with mitochondrial function and oxidative stress, suggesting that its cardioprotective effects may be mediated through the enhancement of proline biosynthesis and reduction of oxidative stress. Overall, these findings position 2-APQC as a promising therapeutic candidate for heart failure treatment by targeting SIRT3.