IL-6/STAT3信号通路在启动哺乳动物心肌再生中的作用与机制研究

The hearts of 1-day-old neonatal mice can regenerate completely after partial surgical resection (~15% of the ventricular myocardium). It raised an ideal model to study the molecular mechanism during mammalian cardiac regeneration. Our unpublished data show that acute inflammation occurs immediately after neonatal heart injury and might play key role in neonatal mouse cardiac regeneration, with interleukin-6 (IL-6) elevation dramatically and STAT3 activation, the major downstream effecter of IL-6 signaling. We hypothesize that IL-6/STAT3 signaling pathway activated by acute inflammation is the primary mechanism of initiating cardiac regeneration. In this project, we will prove whether IL-6 is required and sufficient to active JAK/STAT3 signaling pathway and initiated cardiomyocyte proliferation in neonatal mice by IL-6 myocardial microinjection and knockout assays. The relationship between IL-6 promoting cardiomyocyte proliferation and stimulating JAK/STAT3 signaling pathway will be studied in vitro by treating primary cardiomyocytes isolated from neonatal mouse hearts with the various combinations among IL-6 recombinant protein, JAK inhibitor (INCB018424) and STAT3 inhibitor (5, 15 DPP). To confirm the role of STAT3 in cardiomyocyte proliferation and neonatal heart regeneration, we will measure ability of cardiomyocyte proliferation and heart regeneration after apical resection in STAT3 cardiomyocyte-specific deletion mice. These results will help us to understand the role of the IL-6/STAT3 signaling in initiating cardiomyocyte proliferation and cardiac regeneration.

新生小鼠心尖切除15%后21天可完全再生，为研究哺乳动物心肌再生分子机制提供了理想模型。我们前期结果发现：急性炎症在新生小鼠心肌损伤后再生中发挥了关键作用，同时伴随心肌组织中IL-6表达的显著升高和STAT3的磷酸化激活；提示IL-6/STAT3信号通路可能在启动新生鼠心肌再生中扮演了重要角色。本项目拟通过检测IL-6敲除小鼠心尖切除后的再生能力，以及心肌显微注射IL-6重组蛋白对心肌细胞增殖的影响，正反两方面探究IL-6与新生鼠启动心肌再生之间的联系。分离小鼠原代心肌细胞，通过抑制JAK和STAT3的激活，证实IL-6是否通过JAK/STAT3信号通路促进心肌细胞增殖。运用心肌细胞特异敲除STAT3小鼠，功能学水平确认STAT3在新生小鼠心肌损伤后再生中是否发挥了关键作用。本项目旨在通过急性炎症启动心肌细胞中IL-6/STAT3信号这个新视角，为揭示哺乳动物心肌再生的分子机制提供新思路。

新生1天小鼠心脏组织的左室心尖部位切除10-15%，心肌细胞增殖能被激活，在21天后实现心肌组织的完全再生。急性炎症是心肌组织受损后最早发生的机体应答之一，但急性炎症在心肌再生中的作用与机制尚不明确。本研究发现新生小鼠心肌组织注射酵母多糖A诱导单纯急性炎症能够直接促进心肌细胞增殖；而利用地塞米松抑制新生小鼠心肌损伤后的急性炎症则会导致心肌组织再生能力丢失。由此证实急性炎症是新生小鼠心肌再生的充分必要条件，在心肌再生过程中不可或缺。利用细胞因子芯片，我们筛选到IL-6作为促炎因子在心肌受损后1天的心肌组织中即发生显著上调。IL-6敲除（IL-6 KO）的新生小鼠，施以心尖切除手术后，心肌组织无法实现心肌组织的完全再生；IL-6处理原代培养的新生小鼠心肌细胞则能够直接促进心肌细胞增殖。如上结果提示，心肌受损后早期的IL-6上调表达在心肌再生中发挥了积极的作用。为了探索IL-6促进心肌细胞增殖和心肌再生的分子机制，我们检测了IL-6下游的三条信号通路（STAT3、ERK、AKT）的激活情况，发现只有JAK/STAT3信号通路在IL-6促进心肌细胞增殖中被显著激活；STAT3抑制剂处理原代心肌细胞能够有效阻碍IL-6对心肌细胞的促增殖作用。为了在体内水平证实STAT3对于心肌细胞增殖的调控作用，我们应用Myh6-MerCreMer与STAT3f/f基因工程小鼠杂交，构建了心肌细胞中特异性敲除STAT3的小鼠品系；对该小鼠施以心尖切除术，发现STAT3敲除的新生小鼠心肌细胞在心肌损伤后无法增殖，证实STAT3在IL-6促进心肌细胞增殖中发挥了关键作用。综上所述，我们的研究结果表明，急性炎症是新生小鼠心肌再生的充分必要条件，IL-6/STAT3信号通路在急性炎症参与调控心肌再生过程中发挥了关键作用。相关研究成果在Cell Res（IF=15.393）和Curr Drug Targets（IF=3.112）等SCI杂志发表论文2篇（影响因子为2018年数据）；其中Acute inflammation stimulates a regenerative response in the neonatal mouse heart（发表于Cell Res）一文入选中科院主办的《遗传》杂志当年的“中国动物遗传学研究领域若干重要进展”。

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