缺血性心脏病是全球主要死因，心肌梗死（MI）——冠状动脉突然堵塞，心肌因缺血而大面积坏死亟需修复。但棘手的是，成年人的心肌细胞几乎丧失了增殖能力，无法自我修复。什么方法可以促使其增殖？研究表明Forkheadbox（Fox）蛋白家族中的Foxk1和Foxk2既是细胞“调度员”（参与调节细胞周期），也是能量代谢的“开关”（促进糖酵解过程），推测它们在心肌细胞增殖和心脏再生中起到关键作用，但具体机制尚不清晰。

2025年3月，中国医学科学院阜外医院聂宇教授团队在Nature Communications上发表了题为“Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration”的研究论文，揭示了Foxk1/2激活CCNB1（细胞周期蛋白B1）和CDK1（细胞周期蛋白依赖性激酶 1）的表达，形成CCNB1/CDK1复合物促进G2/M期（细胞周期中由DNA合成后期【G2期】进入有丝分裂期【M期】的关键调控点）转换；同时启动HIF1α转录，增强心肌细胞糖酵解促进增殖，本研究为开发促进心肌损伤后的再生疗法提供了新靶点。（麦特绘谱提供动物代谢流技术（¹³C₆-glucose）检测服务）

研究设计

实验模型：

基因编辑小鼠：构建心肌细胞特异性敲除（cKO）Foxk1或Foxk2的小鼠（Myh6-MerCreMer×Foxk1/2 floxed小鼠）；

过表达模型：通过腺病毒AAV9载体（心肌特异性cTNT启动子驱动）在新生和成年小鼠中过表达Foxk1或Foxk2；

心肌梗死（MI）模型：新生（P1）和成年（8-10周）小鼠通过左前降支（LAD）结扎诱导MI；

主要实验技术：

RNA-seq和CUT&Tag-seq（染色质结合位点分析）揭示Foxk1/2的靶基因；

Seahorse检测糖酵解（ECAR）和线粒体呼吸（OCR）；

同位素标记示踪（U-¹³C₆-glucose）代谢流技术；

细胞周期分析：流式细胞术（PI染色）、免疫荧光（Ki67、pH3、AuroraB标记增殖）；

图1. 研究思路图

研究结果

1. Foxk1和Foxk2对心肌细胞增殖的调控

研究发现Foxk1和Foxk2的表达在小鼠心肌细胞发育过程中逐渐降低。通过siRNA敲低或腺病毒过表达实验表明，敲低Foxk1或Foxk2会抑制原代新生儿小鼠心肌细胞增殖，而过表达则促进增殖，且二者未显示出协同增效作用。

图2. Foxk1和Foxk2促进心肌细胞增殖

2. Foxk1和Foxk2延长心肌细胞增殖时间窗口

在P1（出生后第1天）小鼠中通过AAV9过表达Foxk1和Foxk2，发现可减少P14（出生后第14天）时心肌细胞横截面积，增加心肌细胞数量、单核心肌细胞比例，提高AuroraB、Ki67和pH3阳性心肌细胞数量，表明其能延迟心肌细胞周期停滞，延长增殖窗口。

图3. Foxk1和Foxk2延长心肌细胞增殖时间窗口

3. 对新生儿心脏再生的作用

构建心肌细胞特异性Foxk1或Foxk2敲除小鼠，MI损伤后，与对照组相比，敲除组梗死瘢痕面积更大，心肌细胞尺寸更大，pH3⁺和AuroraB⁺心肌细胞数量减少，心脏功能恢复较差，说明Foxk1和Foxk2是新生儿心脏再生所必需的。

图4. 心肌细胞特异性Foxk1或Foxk2缺陷损害心脏再生

4. 对成年小鼠心脏再生和修复的影响

成年雄性小鼠MI后注射AAV9-Foxk1或AAV9-Foxk2，可改善心脏功能，减少心肌纤维化，增加增殖心肌细胞数量，提高单核和二倍体心肌细胞比例，抑制成纤维细胞激活，表明Foxk1和Foxk2能有效促进成年小鼠MI后心脏恢复。

图5. Foxk1和Foxk2促进成年小鼠心脏再生和修复

5. 诱导心肌细胞增殖的机制——激活CCNB1/CDK1复合物

通过CUT&Tag和RNA-seq分析，发现Foxk1和Foxk2分别直接靶向Ccnb1和Cdk1基因。过表达或敲低实验表明Foxk1调控CCNB1（细胞周期蛋白 B1）表达，Foxk2调控CDK1（细胞周期蛋白依赖性激酶1）表达。干扰CCNB1或CDK1可削弱Foxk1或Foxk2的促增殖作用，且二者存在交叉调节。

图6. Foxk1和Foxk2通过与Ccnb1和Cdk1启动子区结合诱导心肌细胞增殖

6. 诱导心肌细胞代谢重编程

RNA-seq数据和Seahorse分析显示，过表达Foxk1和Foxk2可增强心肌细胞糖酵解，抑制氧化磷酸化（OXPHOS）；体内葡萄糖通量分析（¹³C₆-glucose标记代谢流技术，麦特绘谱提供）表明，其过表达促进了糖酵解和戊糖磷酸途径（PPP）代谢物增加，TCA循环中间体减少。抑制糖酵解会降低过表达Foxk1和Foxk2的心肌细胞增殖，说明它们通过增强糖酵解和PPP来驱动心肌细胞增殖。

图7. Foxk1和Foxk2诱导心肌细胞代谢重编程

7. 通过HIF1α诱导心肌细胞糖酵解

CUT&Tag-seq分析发现Foxk1和Foxk2在Hif1α（细胞代谢重编程的关键调节因子）启动子区域富集，ChIP-qPCR证实了上述结果。过表达或敲低实验表明Foxk1和Foxk2调控HIF1α表达。敲低Hif1α可抑制Foxk1和Foxk2诱导的糖酵解增强和细胞增殖，说明HIF1α是Foxk1和Foxk2促进糖酵解和增殖的下游调节因子。

图8. HIF1α介导Foxk1和Foxk2依赖的心肌细胞代谢重编程

研究结论

Foxk1和Foxk2是心肌细胞增殖和心脏再生的关键转录因子，通过激活CCNB1/CDK1复合物促进细胞周期进展，并通过激活HIF1α增强代谢重编程，从而发挥促增殖作用。AAV9介导的Foxk1或Foxk2过表达可改善成年小鼠心脏损伤后的功能恢复，有望成为心脏修复的治疗靶点，但治疗时需优化剂量和持续时间，以减轻过度糖酵解带来的潜在不良影响。

参考文献

Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration. Nature Communications. 2025

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