Nat Commun︱我校梁广/应华忠/石巧娟课题组揭示去泛素化酶OTUD1调控糖尿病心肌病的新机制

近日，我校梁广课题组联合应华忠/石巧娟课题组在国际权威期刊《Nature Communications》（中科院一区TOP，IF=15.7）在线发表了题为“Cardiomyocyte OTUD1 drives diabetic cardiomyopathy via directly deubiquitinating AMPKα2 and inducing mitochondrial dysfunction”的研究性论文。该研究首次揭示了心肌细胞中去泛素化酶OTUD1在糖尿病心肌病发生发展中的核心作用及其分子机制。研究团队创新性地发现，OTUD1能够直接结合并特异性去泛素化能量代谢关键激酶AMPKα2的K60/K379位点，进而抑制其T172位点的关键磷酸化，最终导致心肌细胞线粒体功能障碍，驱动糖尿病心肌病病理进程。这一突破性发现不仅阐明了OTUD1-AMPKα2信号轴在糖尿病心肌病中的核心调控机制，为理解DCM的分子基础提供了新视角，更提示靶向OTUD1是治疗糖尿病心肌病的潜在新策略，具有重要的临床转化意义。

糖尿病心肌病（Diabetic cardiomyopathy, DCM）是一种由糖尿病引发的心脏特异性病变，即使在排除高血压、冠状动脉疾病等其他常见心脏病因素后，仍是诱发心力衰竭（HF）的独立危险因素。该疾病以长期高血糖导致的心肌肥厚、纤维化以及心脏舒缩功能障碍为特征。尽管现有心血管药物可用于管理糖尿病患者的HF，但其临床疗效仍不理想。深入解析DCM的分子机制，对于开发有效干预策略至关重要。蛋白翻译后修饰，特别是泛素化/去泛素化（Ubiquitination/Deubiquitination） 平衡，在心脏病理进程中扮演着关键调控角色。其中，去泛素化酶（DUBs）通过移除底物蛋白上的泛素分子，精确调控其稳定性、活性及功能。研究表明，DUBs在癌症、免疫疾病及心血管疾病中发挥重要作用，然而其在DCM中的具体作用机制仍有待深入探索。

为了系统性探究糖尿病心脏中DUBs基因的表达谱，研究人员首先对26周龄db/db小鼠（T2DM模型鼠）心脏组织进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq）。分析发现，在所有DUBs中，Otud1基因的表达上调最为明显，且其主要分布于心肌细胞。这一发现随后在T2DM小鼠心脏组织和高糖联合棕榈酸刺激的原代心肌细胞中得到验证（图1）。这些结果首次明确了心肌细胞来源的OTUD1在糖尿病心脏中特异性高表达，提示其可能在DCM病理进程中发挥关键作用。

图1. 糖尿病心脏组织中心肌细胞来源的OTUD1显著上调

为明确OTUD1在DCM中的功能，研究人员构建了心肌细胞Otud1基因特异性敲除小鼠（Otud1 CKO），分别利用T2DM及T1DM诱导DCM。研究发现，心肌细胞OTUD1缺失有效预防了糖尿病小鼠心脏功能障碍、肥大和纤维化（图2）。这些结果充分证实了心肌细胞OTUD1是驱动DCM的关键因素，其缺失可有效保护心脏免受糖尿病。

图2. 心肌细胞特异性 Otud1敲除可有效改善 T2DM 小鼠的心功能不全

DUBs通过识别并去泛素化特定底物蛋白发挥功能。为鉴定心肌细胞中OTUD1的潜在靶点，研究人员采用免疫共沉淀（Co-IP）、液相质谱-串联质谱（LC-MS/MS）、生物膜干涉技术（BLI）等实验，从OTUD1结合蛋白中筛选出其底物蛋白AMPKα2。结构域分析揭示，OTUD1其通过OUT结构域与AMPKα2的激酶结构域（KD）特异性相互作用（图3）。这一发现首次鉴定AMPKα2为心肌细胞OTUD1的关键生理底物。

图3. 实验验证AMPKα2 作为OTUD1的底物

接下来，研究人员深入解析了OTUD1调控AMPK活性的分子机制。OTUD1能够特异性去除AMPKα2上的K63连接型泛素链，且影响其活性。通过泛素化位点预测与突变体验证，K60和K379为AMPKα2泛素化修饰的核心位点。OTUD1介导的去泛素化特异性阻碍了AMPKα2与其关键上游激酶CAMKK2的相互作用，导致AMPK T172磷酸化受阻。值得注意的是，OTUD1对另一上游激酶LKB1与AMPKα2的结合无影响（图4）。这揭示了OTUD1通过选择性破坏CAMKK2-AMPK复合物形成，负向调控AMPK活性的精确机制。

图4. OTUD1通过去泛素化AMPKα2- K60/K379位点调控其磷酸化

为了探究OTUD1 缺失改善DCM的下游信号通路，研究人员对 T2DM诱导的 Otud1fl/fl 和 Otud1 CKO 小鼠心脏进行了RNA-seq分析。KEGG/GO/GSEA富集分析一致显示，OTUD1缺失显著富集于AMPK信号通路及其调控的糖脂代谢与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS） 相关基因集。分子实验表明，心肌细胞 OTUD1 缺失有效逆转了糖尿病小鼠心脏中 AMPK 的去磷酸化、糖脂代谢紊乱以及线粒体损伤。

综上所述，本研究首次揭示OTUD1是糖尿病心肌病的关键致病因子，其心肌细胞特异性缺失对DCM具有显著保护作用。该研究创新性发现OTUD1是AMPKα2的直接调控DUB，揭示了通过去泛素化修饰精确调控AMPK活性的全新分子机制，阐明了OTUD1-AMPKα2轴通过破坏CAMKK2-AMPK复合物形成导致AMPK失活，进而诱导线粒体功能障碍的核心信号通路，为DCM治疗提供了极具潜力的新靶点。从药物研发角度考虑，与直接激活AMPK相比，开发靶向OTUD1的小分子抑制剂可能是一条更具成药性的研发路径。

图5. 本研究机制图

杭州医学院韩雪副研究员为本论文第一作者，梁广研究员为末位通讯作者，应华忠研究员、石巧娟副研究员为共同通讯作者，论文通讯单位为杭州医学院。该工作受到国家自然科学基金项目以及浙江省自然科学基金资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61901-z.pdf

图文来源：韩雪    初审：徐琦   终审：应士波