精氨酸酶1會促使線粒體嵴發(fā)生重塑，并引發(fā)缺血/缺氧所致血管功能障礙中的程序性細胞死亡

   缺血/缺氧損傷顯著損害血管功能，對患者預后產(chǎn)生不利影響。線粒體結(jié)構(gòu)與功能的變化與缺血/缺氧誘導的血管功能障礙密切相關(guān)。該過程的機制仍不清楚。使用大鼠缺血模型和缺氧血管平滑肌細胞（VSMCs），結(jié)合透射電子顯微鏡、超分辨率顯微鏡和代謝分析來分析線粒體嵴的結(jié)構(gòu)與功能變化。多組學方法揭示缺血VSMCs中精氨酸酶1（Arg1）上調(diào)，通過體內(nèi)外敲除模型證實Arg1缺失可保護線粒體嵴、線粒體與血管功能，并限制mtDNA釋放。機制上，Arg1與Mic10相互作用導致線粒體嵴重塑，同時缺氧誘導的VDAC1乳酸化導致mPTP開放及VSMCs mtDNA釋放。釋放的mtDNA通過激活cGAS-STING通路引發(fā)VSMCs PANoptosis。ChIP-qPCR結(jié)果顯示乳酸介導的Arg1上調(diào)由H3K18la升高所致。靶向VSMCs的納米材料PLGA-PEI-siRNA@PM-α-SMA（NPsiArg1）顯著改善血管功能障礙。本研究揭示缺血/缺氧后血管功能障礙的新機制：乳酸調(diào)控的Arg1表達在細胞核與線粒體之間形成損傷性正反饋環(huán)，導致線粒體嵴紊亂與mtDNA釋放，最終引發(fā)VSMCs PANoptosis。靶向抑制VSMCs Arg1為緩解缺血/缺氧性血管損傷提供潛在治療策略。該研究于2025年5月發(fā)表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》，題目為“Arginase 1 drives mitochondrial cristae remodeling and  PANoptosis in ischemia/hypoxia-induced vascular dysfunction”，影響因子52.7。

技術(shù)路線

研究思路

1. 線粒體嵴損傷與缺血/缺氧誘導的血管功能障礙相關(guān)

   與假手術(shù)組相比，缺血大鼠離體腸系膜上動脈對 norepinephrine的收縮反應顯著減弱（圖1a, b）。10?3 mol/L去norepinephrine刺激導致假手術(shù)組SMA直徑明顯縮小，而缺血組各劑量norepinephrine均無效（圖1c, d）。缺氧VSMCs收縮力顯著低于正常組（圖1e, f）。缺血組24小時生存率與生存時間顯著下降（補充圖S1d, e）。缺氧VSMCs線粒體嵴結(jié)構(gòu)紊亂、空泡增多、嵴頻率降低（圖1g, h），Hessian-SIM超分辨率顯微鏡結(jié)果與透射電鏡一致（圖1i, j）。缺氧組氧耗率、ATP降低，ROS升高，線粒體膜電位下降（圖1k, l；補充圖S1f–i）。缺氧VSMCs mtDNA釋放顯著增加（圖1m–p）。NOS抑制劑L-NAME未引起線粒體功能障礙與mtDNA釋放（補充圖S1j–o）。

圖1. 線粒體嵴損傷與缺血/缺氧誘導的血管功能障礙相關(guān)

2. 干預Arg1改善血管功能與線粒體嵴結(jié)構(gòu)

   GEO數(shù)據(jù)庫失血性休克患者轉(zhuǎn)錄組（GSE64711）分析顯示Arg1為休克組與對照組差異基因中在缺血小鼠VSMCs單細胞測序中上調(diào)的基因（圖2a–c）。構(gòu)建VSMCs條件性Arg1敲除小鼠與AAV介導Arg1敲低大鼠，證實缺血組Arg1表達升高，而敲除/敲低可恢復SMA收縮反應、增加腸系膜血流并提高生存率（圖2f–i；補充圖S2c–g）。體外實驗顯示缺氧VSMCs Arg1表達上調(diào)（圖2j），siRNA干擾Arg1后VSMCs收縮力恢復（圖2l, m）。Arg1敲低改善缺氧VSMCs線粒體嵴結(jié)構(gòu)，增加嵴頻率（圖2n–q），抑制mtDNA釋放，提升OCR、ATP及膜電位（圖2r–v；補充圖S3c–g）。Arg1酶活性非其調(diào)控作用關(guān)鍵（補充圖S4c–f）。

圖2. 干預Arg1改善血管功能與線粒體嵴結(jié)構(gòu)

3. Arg1與Mic10相互作用導致Mic10構(gòu)象改變

   共免疫沉淀-質(zhì)譜鑒定292個Arg1互作蛋白，其中Mic10（MICOS復合物關(guān)鍵亞基）與Arg1結(jié)合（圖3a–c）。分子對接顯示Arg1 Glu42與Mic10結(jié)合最強（圖3d）。缺氧增強Arg1-Mic10結(jié)合，Arg1干擾削弱其互作（圖3e–g）。缺氧增加線粒體Arg1水平，siArg1降低其水平（圖3h–k）。分子動力學模擬表明Arg1結(jié)合破壞Mic10寡聚化，增加Mic10體積與構(gòu)象不穩(wěn)定性（圖3l–o；補充圖S5）。

圖3. Arg1與Mic10相互作用導致Mic10構(gòu)象改變

4. Arg1 E42A突變逆轉(zhuǎn)線粒體嵴紊亂

   Arg1 E42A突變顯著削弱Arg1與Mic10結(jié)合（圖4a–c）。透射電鏡與超分辨率顯微鏡顯示E42A突變改善缺氧VSMCs線粒體嵴結(jié)構(gòu)，減少空泡、增加嵴頻率（圖4d, e；補充圖S6a, b）。E42A突變提升OCR、ATP，抑制ROS，降低mtDNA釋放（圖4f–o）。

圖4. Arg1 E42A突變逆轉(zhuǎn)線粒體嵴紊亂

5. Arg1上調(diào)與VDAC1乳酸化共同介導mtDNA釋放

   缺氧導致mPTP開放，Arg1干擾或E42A突變抑制其開放（圖5a, b）。缺氧誘導VDAC1 K224位點乳酸化（圖5e–k），Arg1敲低通過改善線粒體功能抑制VDAC1乳酸化（圖5h, l）。VDAC1 K224R突變抑制mtDNA釋放（圖5m）。過表達Arg1增加乳酸與mtDNA釋放，K224R突變可逆轉(zhuǎn)此效應（圖5l, m）。

圖5. Arg1上調(diào)與VDAC1乳酸化共同介導mtDNA釋放

6. mtDNA釋放經(jīng)cGAS-STING通路觸發(fā)VSMCs PANoptosis

   缺氧VSMCs cGAS-STING通路激活，凋亡（Cleaved-Caspase-3、Bax）、焦亡（NLRP3、Caspase-1、GSDMD-N）、壞死性凋亡（p-RIPK3、p-MLKL）相關(guān)蛋白表達升高（圖6a, b）。Arg1干擾、E42A突變或STING敲除抑制PANoptosis（圖6c–h；補充圖S8）。STING激動劑逆轉(zhuǎn)Arg1敲除對缺血小鼠血管功能的保護作用（圖6i–m）。

圖6. mtDNA釋放經(jīng)cGAS-STING通路觸發(fā)VSMCs PANoptosis

7. 乳酸通過H3K18la上調(diào)Arg1表達

   缺氧VSMCs中乳酸水平與Arg1、H3K18la表達同步升高（圖7a–c）。外源乳酸直接刺激VSMCs可劑量依賴地上調(diào)Arg1與H3K18la（圖7d, e）。ChIP-qPCR顯示H3K18la與Arg1啟動子結(jié)合隨缺氧時間延長而增強（圖7f）。LDHA抑制劑Oxamate抑制乳酸生成后，H3K18la及Arg1表達下降（圖7g–i），且H3K18la與Arg1啟動子結(jié)合減少（圖7j）。

圖7. 乳酸通過H3K18la上調(diào)Arg1表達7. 乳酸通過H3K18la上調(diào)Arg1表達

8. 構(gòu)建靶向VSMCs的納米顆粒NP-siArg1

   以PLGA為核心，包覆血小板膜（PM）并偶聯(lián)α-SMA抗體，制備PLGA-PEI-siRNA@PM-α-SMA（NP-siArg1）。粒徑284.97 nm，Zeta電位9.98 mV（表1；圖8c, d）。電鏡顯示PM成功包覆（圖8e）。SDS-PAGE與WB驗證膜蛋白與抗體存在（圖8f, g）。體外釋放：NP-siArg1 72 h累積釋放95%，顯著延緩siRNA突釋（圖8h）。細胞攝取實驗證實NP-siArg1選擇性進入VSMCs，缺氧條件下穿透VEC單層效率更高（圖8i；補充圖S11g–i）。

圖8. 構(gòu)建靶向VSMCs的納米顆粒NP-siArg1

9. NP-siArg1治療缺血/缺氧性血管功能障礙

   NP-siArg1（3 mg/kg）較AAV-shArg1更顯著下調(diào)缺血大鼠SMA中Arg1表達（圖9a, b）。血管功能檢測顯示NP-siArg1恢復SMA對NE的收縮反應（圖9c–e），提高生存率（補充圖S12b, c）。缺氧VSMCs中，NP-siArg1較游離siArg1更明顯增加線粒體嵴頻率（圖9f, g），降低ROS，提升ATP、OCR及膜電位（圖9h–k），抑制mPTP開放及mtDNA釋放（圖9l–o），并減少PANoptosis相關(guān)蛋白表達（圖9p）。

圖9. NP-siArg1治療缺血/缺氧性血管功能障礙 

圖10 圖形摘要。

缺血/缺氧 → VSMCs乳酸積累 → 組蛋白H3K18乳酸化（H3K18la）↑ → 結(jié)合Arg1啟動子 →Arg1表達上調(diào)。

Arg1進入線粒體，進一步加重線粒體功能障礙 → 乳酸產(chǎn)生↑（形成核-線粒體損傷循環(huán)）。

線粒體內(nèi)膜：Arg1與Mic10蛋白結(jié)合 → 抑制Mic10寡聚化 → 線粒體嵴結(jié)構(gòu)紊亂 → 線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mPTP）開放。

線粒體外膜：乳酸誘導VDAC1第224位賴氨酸乳酸化（VDAC1-K224la）→ 促進mtDNA外泄。

釋放的mtDNA結(jié)合cGAS → 激活STING-TBK1通路 → 觸發(fā)PANoptosis → 血管收縮功能喪失

納米顆粒NP-siArg1：沉默VSMCs中Arg1表達 → 阻斷線粒體嵴重構(gòu) → 改善血管功能。

參考文獻

1． She H, Zheng J, Zhao G, Du Y, Tan L, Chen ZS, Wu Y, Li Y, Liu Y, Sun Y, Hu Y, Zuo D, Mao Q, Liu L, Li T. Arginase 1 drives mitochondrial cristae remodeling and PANoptosis in ischemia/hypoxia-induced vascular dysfunction. Signal Transduct Target Ther. 2025 May 28;10(1):167.