最新进展 | Circulation：FARS2缺失通过破坏线粒体稳态和线粒体质量控制系统导致心肌病

肥厚型心肌病(HCM)是一种常见的遗传性心脏病，其特征为心肌异常增厚，导致心脏泵血功能下降。尽管已知多个与肌节蛋白生物力学相关的基因变异与HCM有关，但仍有部分HCM患者的致病基因尚未明确。线粒体苯丙氨酰-tRNA合成酶(FARS2)在线粒体翻译机制中发挥重要作用，其变异主要与神经系统疾病相关，而其涉及其他器官疾病尚未被广泛认识。本研究旨在揭示FARS2作为潜在致病基因在心脏和线粒体稳态中的作用，为遗传性心肌病的防治提供新的见解。

本研究采用全外显子测序、Sanger测序、分子对接分析和细胞模型研究等方法，从西京医院患者中鉴定出HCM患者的FARS2变异。构建了Fars2条件突变(p.R415L)或敲除小鼠、Fars2敲低斑马鱼和Fars2敲低新生大鼠心室肌细胞作为体内外FARS2缺失模型。通过RNA测序和线粒体功能分析评估FARS2的作用及其对线粒体稳态的影响，并通过患者心肌组织进行验证。数据分析采用GraphPad Prism 9.0.0，多组比较使用ANOVA和Tukey检验，两组比较使用Student t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

HCM中FARS2单等位基因变异的鉴定和功能结果

研究中发现了一个HCM家族中的FARS2单等位基因变异(c.1244G>T,p.Arg415Leu)，并在其他无家族史的HCM患者中筛选出另外6种FARS2变异体，这7个变异均被归类为意义不确定的变异。这些变异体存在FARS2表达降低的共同特征，部分因蛋白稳定性下降，同时还表现为ATP结合和tRNA氨酰化活性不同程度降低，FARS2^p.R7S变异体线粒体定位受损。

FARS2对正常心脏功能至关重要

分析表明FARS2在心力衰竭和心肌病中表达下调，其缺失可能是心肌病和心力衰竭的致病机制。构建心脏特异性Fars2敲除小鼠模型，表现为体重减轻、寿命缩短、心脏肥大、心力衰竭和猝死，心肌细胞肥大、纤维化和脂质滴积聚；Fars2敲低斑马鱼表现出心脏发育延迟、心包水肿和心力衰竭。FARS2缺失在不同性别均会导致心肌细胞肥大、纤维化和 HF，最终导致猝死。

FARS2缺失导致体内外心肌和线粒体功能障碍

心脏特异性Fars2敲除小鼠模型早期心肌功能受损，左心室射血分数和缩短分数降低，左心室结构改变；晚期心脏功能进一步恶化，出现心脏肥大、心力衰竭和猝死，心肌细胞线粒体结构受损，ATP水平降低，ROS产生增加。Fars2敲低细胞模型中，FARS2缺失导致心肌细胞线粒体的横截面积减少，线粒体数量增加，线粒体功能障碍；ATP水平降低，线粒体膜电位下降，ROS产生增加， NAD+/NADH比值降低，氧消耗率下降，糖酵解能力增强，线粒体生物能量和 ROS 稳态损害。

FARS2缺失损害心肌代谢和线粒体稳态

心脏转录组分析显示FARS2缺失影响细胞代谢途径和心肌收缩相关基因，扰乱线粒体稳态相关生物学过程，除FARS2外其他线粒体氨酰-tRNA合成酶转录水平无显著变化，FARS2缺失降低了mt-tRNA^Phe的氨酰化、减少了氧化磷酸化复合物蛋白表达和活性，改变了线粒体DNA拷贝数，影响了线粒体DNA编码基因转录水平，并进一步破坏了OXPHOS复合物的组装。

FARS2缺失导致MQC系统破坏

基因本体分析显示FARS2缺失改变了线粒体动力学和线粒体相关自噬相关生物学过程，诱导了心肌细胞线粒体过度碎片化和自噬流变化，表现为早期激活线粒体自噬，晚期抑制线粒体自噬，由FARS2缺失引起的自噬持续增加对 MQC系统施加了过大的压力，并导致线粒体质量不平衡、MQC系统失衡。

抑制线粒体分裂和自噬可减轻FARS2缺失引起的线粒体功能障碍

体外使用Mdivi-1或3-甲基腺嘌呤抑制线粒体分裂或自噬，可恢复FARS2缺失引起的线粒体功能障碍与稳态失调，包括氧化磷酸化复合物相对含量、线粒体质量、ATP水平、ROS产生和线粒体膜电位。

AAV9介导的线粒体动力学干预可减轻FARS2缺失引起的心肌功能障碍并延长小鼠寿命

AAV9介导的Drp1敲低或Mfn1过表达可延长FARS2缺失小鼠的寿命，减轻了FARS2 缺陷后左心室射血分数和左心室缩短分数障碍、增大的心肌细胞横截面积和心脏肥大、心脏重量与胫骨长度、心脏重量与体重的比率以及肥大标志物的表达。

本研究表明FARS2是心肌病的潜在致病基因，其缺失导致线粒体功能障碍，引发心肌功能障碍和心力衰竭，最终导致猝死。首次报道FARS2变异与心肌病相关且与中枢神经系统无关，但患者变异体致病性需进一步评估。FARS2缺失破坏线粒体稳态和MQC系统，导致线粒体稳态障碍和心肌功能受损，早期激活线粒体自噬，晚期抑制线粒体自噬，形成复杂重塑机制。

参考文献