Mitochondrial function and glycolytic switch in pathological cardiac hypertrophy

病理性心脏肥大中的线粒体功能和糖酵解转换

基本信息

  • 批准号:
    9925814
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 58.64万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-07-01 至 2022-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Abstract  During the development of heart failure cardiac fuel metabolism switches from predominantly fatty acid oxidation  (FAO) to increased reliance on glucose, especially glycolysis. This metabolic remodeling is generally recognized  and  considered  ultimately  maladaptive  for  sustaining  myocardial  energetics  and  function.  The  mechanisms  responsible for the switch are poorly understood but appear to be coupled with impaired mitochondrial function.  Downregulations  of  multiple  transcriptional  mechanisms,  such  as  PPARa  or  PGC-­1a,  for  FAO  have  been  identified  in  heart  failure.  Reduced  FAO  could  release  the  inhibition  of  glucose  use  through  Randle  cycle  and  thus promote myocardial glucose utilization. However, this hypothesis does not explain why reduced FAO leads  to  predominantly  glycolysis  uncoupled  with  glucose  oxidation,  a  phenomenon  similar  to  Warburg  effect.  In  addition to decreased FAO, multiple aspects of mitochondrial function, in particular, oxidative phosphorylation,  oxidative stress, and redox balance, are also altered in hearts with pathological hypertrophy. These observations  raise  an  intriguing  possibility  that  increased  glycolysis  is  driven  by  mitochondrial  dysfunction  although  the  molecular mediator(s) in the switch are elusive. Recently, we found that the expression of mitochondrial ATPase  inhibitor factor 1 (ATPIF1) was increased in rodent hearts or cardiomyocytes (CMs) with pathological hypertrophy.  Upregulation of ATPIF1 in non-­cardiomyocytes has been shown to increase glycolysis, to trigger mitochondrial  hyperpolarization  and  increase  the  production  of  mitochondrial  reactive  oxygen  species  (mtROS).  In  our  preliminary  study,  ATPIF1  overexpression  also  shifted  energy  metabolism  from  mitochondrial  oxidation  to  glycolysis in CMs. Therefore, we asked whether and how ATPIF1 connects mitochondrial function and glycolysis  in the heart undergoing pathological hypertrophy. The ATPIF1 is well conserved from yeast to human, and it is  known to inhibit the reversed operation of FoF1-­ATPase in Complex V (normally functions as ATP synthase) to  hydrolyze ATP and thus maintain the proton gradient during reduced membrane potential, such as ischemia. The  consequence  of ATPIF1  upregulation  in  the  non-­ischemic  heart  is  unknown.  In  the  proposed  study,  we  will  determine the interaction of ATPIF1 with Complex V under normal and stress conditions and test the hypothesis  that  increased  ATPIF1  inhibits  ATP  synthase  and  triggers  the  metabolic  switch  to  glycolysis  via  stimulation of HIF1a signaling during pathological hypertrophy. We have generated preliminary data and  research  tools  for  the  following  three  specific  aims:  1)  To  test  the  hypothesis  that  up-­regulation  of ATPIF1  increases myocardial glycolysis through enhancing the HIF1α signaling. 2) To determine the molecular  interaction  of  ATPIF1  and  FoF1-­ATPase  and  changes  of  mitochondrial  protein  interactome  under  physiological  and  pathological  conditions  using  quantitative  Protein  Interaction  Reporter  (PIR)  technology.  3)  To  determine  the  in  vivo  role  of ATPIF1  in  the  metabolic  reprogramming  and  cardiac  response to stress.
抽象的 在心力衰竭的发展过程中,心脏燃料代谢从主要是脂肪酸氧化转变 (粮农组织)增加对葡萄糖的依赖,尤其是糖酵解。这种代谢重塑已得到普遍认可。 并被认为最终不适应维持心肌能量和功能。 负责这种转换的人们知之甚少,但似乎与线粒体功能受损有关。 多种转录机制的下调,例如 PPARa 或 PGC-1a,对于粮农组织来说已经 在心力衰竭中发现,减少FAO可以通过兰德尔循环释放对葡萄糖使用的抑制。 从而促进心肌葡萄糖的利用。然而,这个假设并不能解释为什么FAO会减少。 主要是糖酵解与葡萄糖氧化无关,这种现象类似于瓦伯格效应。 除了减少FAO之外,线粒体功能的多个方面,特别是氧化磷酸化, 病理性肥大的心脏中氧化应激和氧化还原平衡也会发生改变。 提出了一个有趣的可能性,即糖酵解的增加是由线粒体功能障碍驱动的,尽管 最近,我们发现线粒体 ATP 酶的表达是难以捉摸的。 病理性肥大的啮齿动物心脏或心肌细胞 (CM) 中抑制因子 1 (ATPIF1) 增加。 非心肌细胞中 ATPIF1 的上调已被证明可以增加糖酵解,从而触发线粒体 超极化并增加线粒体活性氧 (mtROS) 的产生。 初步研究,ATPIF1过表达也将能量代谢从线粒体氧化转变为 因此,我们询问 ATPIF1 是否以及如何连接线粒体功能和糖酵解。 在经历病理性肥大的心脏中。ATPIF1 从酵母到人类都得到了很好的保存,并且它是 已知可抑制复合物 V(通常作为 ATP 合酶)中 FoF1-ATPase 的反向操作 水解 ATP,从而在膜电位降低(例如缺血)期间保持质子梯度。 ATPIF1 在非缺血性心脏中上调的后果尚不清楚,在拟议的研究中,我们将进行研究。 确定正常和应激条件下 ATPIF1 与复合物 V 的相互作用并检验假设 增加的 ATPIF1 抑制 ATP 合酶并通过以下途径触发代谢转变为糖酵解 在病理性肥大期间刺激 HIF1aα 信号传导我们已经生成了初步数据并进行了研究。 研究工具用于以下三个具体目标:1) 检验 ATPIF1 上调的假设 通过增强 HIF1α 信号传导增加心肌糖酵解 2) 确定分子。 ATPIF1和FoF1-ATPase相互作用及线粒体蛋白相互作用组的变化 使用定量蛋白质相互作用报告仪 (PIR) 检测生理和病理条件 3) 确定 ATPIF1 在代谢重编程和心脏中的体内作用。 对压力的反应。

项目成果

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