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人诱导多能干细胞分化的心肌细胞中线粒体生物发生的蛋白质组学分析。

Proteomic analysis of mitochondrial biogenesis in cardiomyocytes differentiated from human induced pluripotent stem cells.

机构信息

Department of Microbiology, Biochemistry and Molecular Genetics, Rutgers University-New Jersey Medical School, Newark, New Jersey.

Department of Cell Biology and Molecular Medicine, Rutgers University-New Jersey Medical School, Newark, New Jersey.

出版信息

Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2021 Apr 1;320(4):R547-R562. doi: 10.1152/ajpregu.00207.2020. Epub 2020 Oct 28.

Abstract

Mitochondria play key roles in the differentiation and maturation of human cardiomyocytes (CMs). As human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) hold potential in the treatment of heart diseases, we sought to identify key mitochondrial pathways and regulators, which may provide targets for improving cardiac differentiation and maturation. Proteomic analysis was performed on enriched mitochondrial protein extracts isolated from hiPSC-CMs differentiated from dermal fibroblasts (dFCM) and cardiac fibroblasts (cFCM) at time points between 12 and 115 days of differentiation, and from adult and neonatal mouse hearts. Mitochondrial proteins with a twofold change at time points up to 120 days relative to 12 days were subjected to ingenuity pathway analysis (IPA). The highest upregulation was in metabolic pathways for fatty acid oxidation (FAO), the tricarboxylic acid (TCA) cycle, oxidative phosphorylation (OXPHOS), and branched chain amino acid (BCAA) degradation. The top upstream regulators predicted to be activated were peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1 α (PGC1-α), the insulin receptor (IR), and the retinoblastoma protein (Rb1) transcriptional repressor. IPA and immunoblotting showed upregulation of the mitochondrial LonP1 protease-a regulator of mitochondrial proteostasis, energetics, and metabolism. LonP1 knockdown increased FAO in neonatal rat ventricular cardiomyocytes (nRVMs). Our results support the notion that LonP1 upregulation negatively regulates FAO in cardiomyocytes to calibrate the flux between glucose and fatty acid oxidation. We discuss potential mechanisms by which IR, Rb1, and LonP1 regulate the metabolic shift from glycolysis to OXPHOS and FAO. These newly identified factors and pathways may help in optimizing the maturation of iPSC-CMs.

摘要

线粒体在人类心肌细胞(CM)的分化和成熟中发挥关键作用。由于人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞(hiPSC-CMs)在心脏病治疗中有应用潜力,我们试图确定关键的线粒体途径和调节因子,这些可能为改善心脏分化和成熟提供靶点。对从真皮成纤维细胞(dFCM)和心脏成纤维细胞(cFCM)分化的 hiPSC-CMs 在分化 12 天至 115 天之间以及从成年和新生小鼠心脏分离的富含线粒体的蛋白质提取物进行蛋白质组学分析。将在 120 天内相对于 12 天时间点有两倍变化的线粒体蛋白进行 Ingenuity 通路分析(IPA)。上调最明显的是脂肪酸氧化(FAO)、三羧酸(TCA)循环、氧化磷酸化(OXPHOS)和支链氨基酸(BCAA)降解的代谢途径。预测激活的最高上游调节因子是过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子 1α(PGC1-α)、胰岛素受体(IR)和视网膜母细胞瘤蛋白(Rb1)转录抑制剂。IPA 和免疫印迹显示线粒体 LonP1 蛋白酶的上调-一种调节线粒体蛋白稳态、能量和代谢的调节剂。LonP1 的敲低增加了新生大鼠心室心肌细胞(nRVMs)中的 FAO。我们的结果支持这样的观点,即 LonP1 的上调负调节心肌细胞中的 FAO,以校准葡萄糖和脂肪酸氧化之间的通量。我们讨论了 IR、Rb1 和 LonP1 调节从糖酵解到 OXPHOS 和 FAO 的代谢转变的潜在机制。这些新鉴定的因子和途径可能有助于优化 iPSC-CMs 的成熟。

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