心臓ミトコンドリアプロテオームの極端なアセチル化は心不全を促進しない

Extreme Acetylation of the Cardiac Mitochondrial Proteome Does Not Promote Heart Failure.

• Michael Thomas Davidson
• Paul Grimsrud
• Ling Lai
• James Draper
• Kelsey H Fisher-Wellman
• Tara Morgan Narowski
• Timothy R Koves
• Daniel P Kelly
• Deborah M Muoio

抄録

心不全の発症は、リジンアセチル化（Kac）を含むミトコンドリア蛋白質の翻訳後修飾と関連していることを示す証拠が周到に示されている。しかし、Kacがミトコンドリアのパフォーマンスを低下させるという直接的な証拠はまだ乏しい。 本研究では、ミトコンドリアのKacが酸化代謝を阻害することで心不全に寄与しているという前提を探ることを目的とした。カルニチンアセチルトランスフェラーゼ（CrAT）とサーチュイン3（Sirt3）を欠損したデュアルノックアウト（DKO）マウス系統を開発し、定量的なアセチルプロテオミクスによって確認されたように、心筋における極端なミトコンドリアKacのモデルとした。その結果得られたミトコンドリアのバイオエネルギーへの影響を、ミトコンドリア機能とエネルギー伝達を総合的に評価できる呼吸器診断プラットフォームを用いて評価した。心圧過負荷のモデルとして超大動脈収縮（TAC）を用いて、DKOマウスの心不全に対する感受性を調べた。その結果、DKOマウスの心臓のミトコンドリアアセチルリジンの分布は、心圧過負荷やSirt3欠損のみで観察された値をはるかに超えて上昇していた。DKO心臓とSirt3 KO心臓で測定された特異的なアセチル化リジンペプチドの相対的な変化は強い相関関係があった。アセチル化亢進の複数の設定でプロテオミクスを比較したところ、実験的心不全と比較して、DKO操作によって影響を受けたKacペプチドの集団の間には約86%のオーバーラップが見られた。DKOマウスの心臓Kacの重症度が他の条件と比較して高いにもかかわらず、ミトコンドリア機能の深い表現型は、驚くほど正常な生体エネルギープロファイルを明らかにした。このように、基質特異的デヒドロゲナーゼ活性、呼吸応答、酸化還元電荷、ミトコンドリア膜電位、電子リークを含む120以上のミトコンドリアのエネルギーフラックスが評価されたが、酸化不全の証拠は最小限であった。同様に、DKO心臓は、TAC誘発性の圧力過負荷による機能不全に対してより脆弱ではなかった。この知見は、ハイパーアセチル化自体がミトコンドリアの酸化的機械系に広範な障害を引き起こすことで、心筋の代謝回復力を脅かすという前提に疑問を投げかけている。

Circumstantial evidence links the development of heart failure to post-translational modifications of mitochondrial proteins, including lysine acetylation (Kac). Nonetheless, direct evidence that Kac compromises mitochondrial performance remains sparse. This study sought to explore the premise that mitochondrial Kac contributes to heart failure by disrupting oxidative metabolism. A dual knockout (DKO) mouse line with deficiencies in carnitine acetyltransferase (CrAT) and sirtuin 3 (Sirt3), enzymes that oppose Kac by buffering the acetyl group pool and catalyzing lysine deacetylation, respectively, was developed to model extreme mitochondrial Kac in cardiac muscle, as confirmed by quantitative acetyl-proteomics. The resulting impact on mitochondrial bioenergetics was evaluated using a respiratory diagnostics platform that permits comprehensive assessment of mitochondrial function and energy transduction. Susceptibility of DKO mice to heart failure was investigated using transaortic constriction (TAC) as a model of cardiac pressure overload. The mitochondrial acetyl-lysine landscape of DKO hearts was elevated well beyond that observed in response to pressure overload or Sirt3 deficiency alone. Relative changes in the abundance of specific acetylated lysine peptides measured in DKO versus Sirt3 KO hearts were strongly correlated. A proteomics comparison across multiple settings of hyperacetylation revealed ∼86% overlap between the populations of Kac peptides affected by the DKO manipulation as compared to experimental heart failure. Despite the severity of cardiac Kac in DKO mice relative to other conditions, deep phenotyping of mitochondrial function revealed a surprisingly normal bioenergetics profile. Thus, of the >120 mitochondrial energy fluxes evaluated, including substrate-specific dehydrogenase activities, respiratory responses, redox charge, mitochondrial membrane potential and electron leak, we found minimal evidence of oxidative insufficiencies. Similarly, DKO hearts were not more vulnerable to dysfunction caused by TAC-induced pressure overload. The findings challenge the premise that hyperacetylation per se threatens metabolic resilience in the myocardium by causing broad-ranging disruption to mitochondrial oxidative machinery.