Eur Heart J 葛均波院士/孙爱军教授团队与杨靖教授团队合作揭示HNMT介导的代谢-表观重塑调控病理性肥厚/心衰进展新机制

心力衰竭(HF)是多种心血管疾病的终末阶段，患者生存质量严重受损，病死率高居不下¹。近年来，心衰药物治疗方案持续演进：从传统的抑制神经内分泌的“金三角”，到纳入钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂的“新四联”，再到加入可溶性鸟苷酸环化酶激动剂的“五朵金花方案”，治疗策略不断丰富²。然而，即便在这些规范治疗之下，患者仍面临心衰进展与死亡风险的残余威胁。面对如此严峻的形式，亟需针对心衰的病理生理机制进行深入探索，挖掘心衰治疗的新靶点。

在心衰进展过程中，心肌细胞为适应能量需求，会发生复杂的代谢重塑。然而，当这种重塑走向失代偿，便成为推动心衰进展的核心动力。传统观点集中于脂肪酸氧化向葡萄糖利用的转化，但近年来，一系列更基础的“代谢中间产物”被发现能直接改变细胞表观遗传修饰，从而深度调控基因表达³。这提出了一个关键科学问题：在衰竭的心脏中，是否存在某种关键代谢物的变化，通过“重写”表观遗传密码，最终锁定了心肌细胞的病理性命运？

组胺，一种经典的炎症介质，在心脏中同样扮演着复杂的信号角色，其稳态依赖于合成与清除的平衡⁴。组胺N-甲基转移酶(HNMT)是心脏中清除组胺的关键代谢酶，它以一种独特的“消耗型”方式工作：每代谢一份子组胺，就必须消耗一份子S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。SAM是细胞内最重要的通用甲基供体，是维持DNA和组蛋白甲基化修饰的基石⁵。本研究发现HNMT在心衰时表达上调，这引出了一个极具吸引力的科学假设：在心力衰竭中，HNMT的上调是否会像“黑洞”一样消耗SAM，导致细胞陷入“甲基耗竭”，进而引发广泛的表观遗传失调，最终驱动心衰进展？

研究团队首先通过蛋白质谱技术、临床样本分析与动物模型验证发现，无论是心衰患者的心脏组织，还是经主动脉弓缩窄术(TAC)诱导的小鼠心衰模型心脏组织中，HNMT的表达水平均显著上调。公共单细胞数据分析表明，HNMT主要在心肌细胞表达。在细胞层面，phenylephrine(PE)刺激可显著诱导原代心肌细胞中HNMT的表达升高。此外，研究团队还发现心衰患者尿液中的N-甲基组胺(HNMT的下游代谢物)显著升高，且其浓度与心功能指标呈负相关，这提示尿液中的N-甲基组胺具有作为心衰无创生物标志物的潜力。 

图1. 心肌细胞HNMT在心衰时显著上调

为了探究HNMT在心力衰竭中的作用，研究团队构建了心肌细胞特异性HNMT敲除小鼠，采用TAC术诱导心衰。术后心超及组织染色分析显示，HNMT敲除显著减轻了TAC引起的心肌病理性肥厚，并改善了心脏收缩功能。进一步地，团队利用携带心肌细胞特异性启动子的AAV9载体在心肌细胞中特异性过表达HNMT，发现即使在不施加额外压力负荷的情况下，单纯过表达HNMT即足以引发心功能损害。 此外，研究人员对原代心肌细胞进行了腺病毒介导的HNMT过表达（Adv-Hnmt）和敲低（Adv-shHnmt）处理。结果显示HNMT的过表达足以在无外部刺激的情况下诱导细胞肥大；相反，在PE诱导的压力条件下，HNMT敲低显著减弱了细胞肥大的反应。这表明HNMT在体外也能够调节心肌细胞肥大。

图2. 心肌特异性HNMT敲除可以缓解TAC导致的心功能障碍 

图3. 心肌特异性HNMT过表达可以导致心功能障碍

为阐明HNMT导致心功能损害的具体分子机制，研究团队对经HNMT敲低或过表达处理的原代心肌细胞进行了转录组测序分析。RNA-seq结果提示，WNT/钙离子信号通路很可能是HNMT调控的关键下游。后续功能实验进一步明确，HNMT主要激活了非经典WNT信号中的WNT/CaMKII分支，而对经典WNT/β-catenin通路及平面细胞极性(WNT/PCP)通路则无明显影响。 

图4. HNMT调控WNT/CaMKII通路

鉴于HNMT作为一种代谢酶的功能特性，研究团队推测其可能通过改变细胞内特定代谢物的水平来调控WNT/CaMKII通路。基于靶向代谢组学分析，发现过表达HNMT可导致心肌细胞中其下游代谢物SAM (S-adenosylmethionine)含量显著降低，而敲低HNMT则能逆转PE诱导的SAM水平下降。进一步的实验证实，外源性补充SAM可有效逆转HNMT过表达所导致的WNT/CaMKII通路激活，并改善由此引发的心功能损害。 

图5. SAM回补可以逆转HNMT过表达导致的心功能障碍

由于SAM是细胞内关键的甲基化修饰底物，研究团队进一步探究了HNMT是否通过影响蛋白甲基化状态来发挥作用。通过泛甲基化抗体检测结合核质分离技术，发现过表达HNMT后，位于组蛋白分子量对应区域的甲基化信号显著减弱(详见补充材料)。基于组蛋白甲基化修饰组学分析与后续实验验证，团队锁定H3K27三甲基化(H3K27me3)是受HNMT调控的核心组蛋白修饰。进一步的机制研究表明，HNMT能够直接与EZH2 (多梳抑制复合体PRC2的核心催化亚基，负责催化H3K27me3修饰并介导基因沉默)结合。该相互作用的证实，从分子层面解释了HNMT为何能够特异性扰动H3K27me3修饰水平。 

图6. HNMT调控H3K27me3修饰

图7. HNMT可以结合EZH2

为了探究HNMT如何通过影响H3K27me3修饰调控WNT/CaMKII通路，研究团队运用CUT&Tag测序技术在全基因组范围内检测了H3K27me3的富集情况。通过整合CUT&Tag与RNA-seq数据，团队发现FZD2—WNT/CaMKII通路的一个关键基因—其启动子区域的H3K27me3修饰水平受HNMT特异性调控。进一步实验证实，过表达HNMT可显著降低FZD2启动子区的H3K27me3占据，从而解除对该基因的转录抑制，促使FZD2表达上调，进而激活WNT/CaMKII信号轴，最终导致心脏功能恶化。 研究人员在体外使用腺病毒（Adv-shFzd2）以及在体内使用AAV9（AAV9-shFzd2）来敲低Fzd2基因，体内外实验均证明FZD2敲低可以缓解HNMT过表达所引起的心功能障碍。

图8. HNMT调控FZD2启动子区域的H3K27me3修饰，从而促进FZD2转录 

图9. FZD2敲低可以缓解HNMT过表达导致的WNT/CaMKII通路激活以及心功能障碍

最后，研究团队利用阿莫地喹(HNMT抑制剂)干预TAC小鼠，发现阿莫地喹能够有效改善小鼠心功能。 

图10. 阿莫地喹可以缓解TAC导致的心功能障碍

综上所述，本研究系统揭示了HNMT是驱动心力衰竭进展的关键分子，其机制可概括为：HNMT通过消耗细胞内SAM，并与EZH2结合干扰其功能，特异性降低FZD2启动子区域的H3K27me3修饰水平，从而解除对FZD2的转录抑制，激活下游WNT/CaMKII信号通路，最终导致心功能进行性恶化。在临床转化方面，研究团队发现：1. 尿液中的N-甲基组胺(HNMT的下游代谢产物)具有作为心衰无创诊断新标志物的潜力；2. 传统的抗疟疾药物—阿莫地喹(HNMT抑制剂)可以改善心衰小鼠心功能。阿莫地喹作为一种已广泛应用于临床的抗疟药物，其长期用药安全性已得到验证，迄今未见与严重心血管不良事件相关的明确报道⁶，这为其“老药新用”提供了可靠的安全性基础与转化优势，相关临床验证计划正在积极筹划中。