Aortic Stress Activates an Adaptive Program in Thoracic Aortic Smooth Muscle Cells That Maintains Aortic Strength and Protects Against Aneurysm and Dissection in Mice

Keywords: aortic aneurysm; extracellular matrix; homeostasis; mechanical stress; smooth muscle cell.

主動(dòng)脈壁暴露在不斷變化的環(huán)境中。在壓力增加的情況下，如血流動(dòng)力學(xué)壓力，主動(dòng)脈壁感應(yīng)機(jī)械信號(hào)發(fā)生重塑，并增加其厚度以保持主動(dòng)脈強(qiáng)度和承受壓力。這種適應(yīng)性反應(yīng)由多種細(xì)胞類型協(xié)調(diào)，特別是主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（SMCs），它們接收機(jī)械信號(hào)并激活信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)以增加主動(dòng)脈壁強(qiáng)度。各種遺傳缺陷和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素可能會(huì)損害這種適應(yīng)性反應(yīng)，導(dǎo)致主動(dòng)脈衰竭、主動(dòng)脈瘤和急性主動(dòng)脈夾層（AAD）發(fā)展，并最終導(dǎo)致破裂。然而，這種適應(yīng)性反應(yīng)的分子和細(xì)胞過程及其調(diào)控尚不清楚。

鑒于此，美國貝勒醫(yī)學(xué)院心臟外科及肯塔基大學(xué)列克星敦分校生理學(xué)系團(tuán)隊(duì)在一項(xiàng)研究中對(duì)高脂肪飲食（HFD）和血管緊張素II（AngII）輸注野生型小鼠誘導(dǎo)的散發(fā)性AAD小鼠模型的主動(dòng)脈進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)測序（scATAC-seq）分析，觀察到 AngII 輸注誘導(dǎo)內(nèi)側(cè)厚度增加，這與胸主動(dòng)脈 SMC 群體中的適應(yīng)性基因表達(dá)程序有關(guān)，且Yes 相關(guān)蛋白（YAP）被確定為驅(qū)動(dòng)這種適應(yīng)性反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（TF），對(duì)于維持主動(dòng)脈穩(wěn)態(tài)、預(yù)防動(dòng)脈瘤和夾層的發(fā)展至關(guān)重要。研究成果發(fā)表于 Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology 期刊題為“Aortic Stress Activates an Adaptive Program in Thoracic Aortic Smooth Muscle Cells That Maintains Aortic Strength and Protects Against Aneurysm and Dissection in Mice”。



首先，研究了飼喂高脂飲食并輸注 AngII（2000 ng/kg/min；AngII/HFD）的 WT 小鼠的適應(yīng)性反應(yīng)。研究表明，在 C57BL/6J WT 小鼠中，AngII/HFD 可誘導(dǎo)胸主動(dòng)脈段和腹主動(dòng)脈段的主動(dòng)脈退行性變，出現(xiàn)主動(dòng)脈擴(kuò)張、AAD（包括主動(dòng)脈瘤、夾層和破裂）、重度 AAD（包括夾層和破裂）和破裂。同時(shí)，主動(dòng)脈內(nèi)側(cè)厚度和SMC 增殖顯著增加。然后，檢查了響應(yīng) AngII 輸注的 SMCs 基因表達(dá)譜的變化，發(fā)現(xiàn) AngII/HFD 處理的 WT 小鼠的 SMCs 中參與傷口愈合、彈性纖維組裝、ECM 組織、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架組織和細(xì)胞-基質(zhì)-黏著斑的基因表達(dá)增加，多種信號(hào)通路，如 P13K-Akt 和轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β也上調(diào)。差異表達(dá)基因（DEG）分析表明，AngII/HFD 增加了與增殖、膠原蛋白生成、彈性纖維組織、細(xì)胞基質(zhì)連接、細(xì)胞遷移、細(xì)胞存活、抗氧化劑、DNA 損傷修復(fù)、生長因子分泌和 TGF-β信號(hào)等相關(guān)的適應(yīng)性反應(yīng)基因的 mRNA 豐度。這些數(shù)據(jù)表明，主動(dòng)脈暴露于 AngII/HFD 會(huì)觸發(fā)參與 SMC 功能和 ECM 重塑的基因集的系統(tǒng)性誘導(dǎo)，這可能對(duì)維持主動(dòng)脈壁強(qiáng)度和主動(dòng)脈壓力升高很重要。

為了了解響應(yīng)主動(dòng)脈應(yīng)激的基因表達(dá)的控制，進(jìn)行 scATAC-seq 分析以檢查 AngII/HFD 處理的小鼠和鹽水/CD 對(duì)照處理的小鼠的主動(dòng)脈 SMCs 中適應(yīng)性反應(yīng)基因的染色質(zhì)可及性。根據(jù)基因活性譜的相似性，總共鑒定了 18 個(gè)簇（圖1 A），這些簇的身份是根據(jù)細(xì)胞標(biāo)記基因的染色質(zhì)可及性/基因活性確定的（圖1 B），其中有 3 個(gè) SMC 簇顯示出 SMC 特異性基因活性。

通過GO分析和差異激活基因（DAG）分析比較鹽水/CD 處理和 AngII/HFD 處理小鼠 SMCs 中基因活性譜（圖1 C、D），發(fā)現(xiàn) AngII/HFD 處理小鼠的 SMCs 中細(xì)胞因子產(chǎn)生和炎癥反應(yīng)的基因活性增加。與其基因表達(dá)譜一致，AngII/HFD 處理小鼠的 SMC 在傷口愈合、血管生成、增殖、ECM 組織、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架組織、細(xì)胞遷移、氧化應(yīng)激反應(yīng)和 TGF-β 信號(hào)中也表現(xiàn)出基因活性富集。這些數(shù)據(jù)表明，通過增加基因調(diào)控區(qū)域的染色質(zhì)可及性，主動(dòng)脈暴露于 AngII/HFD 會(huì)誘導(dǎo)適應(yīng)性基因表達(dá)。

圖1 scATAC-seq分析顯示，主動(dòng)脈應(yīng)激觸發(fā)平滑肌細(xì)胞（SMCs）染色質(zhì)可及性動(dòng)力學(xué)。

接下來，為了了解適應(yīng)性反應(yīng)的調(diào)節(jié)，嘗試確定參與適應(yīng)性基因誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子（TFs），發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)相關(guān)結(jié)構(gòu)域蛋白（TEAD）家族成員是與適應(yīng)性基因活性強(qiáng)烈正相關(guān)的基序活性轉(zhuǎn)錄因子。TEADs 是 YAP 的轉(zhuǎn)錄伙伴，YAP 是感知機(jī)械信號(hào)和促進(jìn)細(xì)胞增殖和器官發(fā)育的關(guān)鍵信號(hào)分子。為了了解 YAP/TEADs 在 AngII 輸注期間 SMC 基因表達(dá)中的更廣泛作用，檢查了包含 TEAD 基序的 YAP/TEAD 靶標(biāo)的染色質(zhì)可及性。與對(duì)照處理小鼠的 SMC 相比，2383 個(gè)基因在 AngII/HFD 處理小鼠的 SMCs 中顯示出豐富的染色質(zhì)可及性/基因活性，這些基因與肌肉細(xì)胞增殖、肌動(dòng)蛋白絲組織和 ECM 組織有關(guān)，并在 Wnt、TGF-β 和 PI3K-Akt 信號(hào)通路富集。這些數(shù)據(jù)支持，YAP/TEADs 在 SMCs 響應(yīng) AngII/HFD 中增強(qiáng)適應(yīng)性基因的染色質(zhì)可及性/基因活性方面的潛在作用。然后，研究了彈性纖維中維持主動(dòng)脈壁完整性的關(guān)鍵成分——賴氨酰氧化酶（LOX），發(fā)現(xiàn) AngII/HFD 處理的小鼠 SMCs 中 Lox 表達(dá)和基因活性顯著增加，這些數(shù)據(jù)表明，YAP/TEAD 可能與適應(yīng)性基因的調(diào)控區(qū)域結(jié)合并參與這些基因的組成型和誘導(dǎo)型表達(dá)。

為了進(jìn)一步確定 YAP 在 SMCs 中響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力的直接作用，施加循環(huán)拉伸應(yīng)力以檢查 YAP 的激活及其對(duì) SMC 基因表達(dá)的影響，這模擬了血壓對(duì)主動(dòng)脈細(xì)胞產(chǎn)生的機(jī)械力。人胸主動(dòng)脈 SMCs 經(jīng)歷循環(huán)拉伸（10%，1 Hz） 24 小時(shí)，發(fā)現(xiàn)其顯著增加了 EdU標(biāo)記的增殖 SMCs 的百分比（圖2 A）和膠原蛋白I、膠原蛋白 III、彈性蛋白和 LOX（前 LOX 和活性 LOX）的產(chǎn)生（圖2 B）。

循環(huán)拉伸還增加了 YAP 表達(dá)、YAP 去磷酸化/激活（圖2 B、C）和 YAP 細(xì)胞核易位（圖2 D）。重要的是，WT YAP 或組成型活性 YAP 的過表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞增殖（圖2 E）和 LOX、彈性蛋白、膠原蛋白I 和膠原蛋白 III 的產(chǎn)生（圖2 F）。相反，刪除 YAP 阻止了循環(huán)拉伸誘導(dǎo)的 LOX 蛋白豐度和切割（圖2 G）和 Lox mRNA（圖2 H）的增加。

為了確定 YAP 在 SMCs 中的直接靶點(diǎn)，檢查循環(huán)拉伸對(duì) YAP 與靶點(diǎn)結(jié)合的影響，進(jìn)行了基于 YAP 的 ChIP-seq 分析，發(fā)現(xiàn)在拉伸的 SMCs 中共有 581 個(gè)結(jié)合位點(diǎn)/基序富集，并確定了一組新的 YAP 靶點(diǎn)，如 ECM 相關(guān)基因（Col12a1、Fn1、Lox、Mfap5 和 Fstl1）、血管生成相關(guān)基因（Tnfrsf12a、Jag1、Notch2 和 Srpx2）、細(xì)胞遷移基因 （Enah 和 Anln）、生長因子基因 Igfbp2 和 TGF-β 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因（Smad2 和 Rasl11b）。

這些研究結(jié)果表明，YAP 與適應(yīng)性基因（例如 LOX）的調(diào)控區(qū)域結(jié)合，并誘導(dǎo)它們?cè)谥芷谛岳�伸下的表達(dá)，YAP 在感知機(jī)械信號(hào)和誘導(dǎo) SMCs 中的 ECM 產(chǎn)生和細(xì)胞增殖方面起著關(guān)鍵作用。

圖2 YAP 響應(yīng)循環(huán)拉伸在促進(jìn)平滑肌細(xì)胞（SMC）增殖和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）基因表達(dá)中的關(guān)鍵作用。

為進(jìn)一步確定 YAP 在主動(dòng)脈應(yīng)激期間 SMC 適應(yīng)性基因表達(dá)中的作用，對(duì) SMC 特異性 Yap 缺失小鼠的升主動(dòng)脈進(jìn)行了 scRNA-seq 分析，比較了 SMC-Yap+/+ 和 SMC-Yap-/- 小鼠之間的基因表達(dá)譜。GO 和 KEGG 分析結(jié)果表明，SMC-Yap+/+ 小鼠中輸注 AngII 增加了在傷口愈合、SMC 增殖、遷移、ECM 產(chǎn)生/組織、細(xì)胞-基質(zhì)粘附/黏著斑以及細(xì)胞對(duì) TGF-β 刺激的反應(yīng)中發(fā)揮作用的基因的 mRNA 豐度。然而，這種上調(diào)在 AngII 注入的 SMC-Yap-/- 小鼠中受到損害。進(jìn)一步的 DEG 分析還表明，AngII 輸注誘導(dǎo)了 SMC-Yap+/+ 小鼠中適應(yīng)性反應(yīng)基因的表達(dá)，并且這種誘導(dǎo)在 SMC-Yap-/- 小鼠中被削弱，這支持 YAP 在促進(jìn)適應(yīng)性反應(yīng)中基因表達(dá)中的作用。注入 AngII 的 SMC-Yap+/+ 小鼠YAP 表達(dá)增加、p-YAP/總 YAP 比率降低以及 YAP 核易位增加，說明 AngII 輸注誘導(dǎo) YAP 激活。與注入 AngII 的SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠顯示 SMC 增殖、中層厚度和 ECM 蛋白（彈性蛋白、LOX、膠原蛋白 I 和膠原蛋白 III）的產(chǎn)生顯著降低，但 SMC 細(xì)胞凋亡增加。這些發(fā)現(xiàn)支持，YAP 在促進(jìn)主動(dòng)脈應(yīng)力下的適應(yīng)性反應(yīng)中的關(guān)鍵作用。

最后，通過比較輸注 AngII（1000 ng/kg/min）的 SMC-Yap-/- 和 SMC-Yap+/+ 小鼠的疾病發(fā)展評(píng)估 SMC YAP 在主動(dòng)脈保護(hù)中的作用。與注入 AngII 的 SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠顯示主動(dòng)脈變性/破壞顯著增加（圖3 A），大多數(shù)主動(dòng)脈段的主動(dòng)脈擴(kuò)張（圖3 B），擴(kuò)張發(fā)生率增加、AAD（包括所有動(dòng)脈瘤、夾層和破裂）和重度 AAD （包括夾層和破裂）情況加�。▓D3 C）。在 AngII 輸注的 SMC-Yap-/- 小鼠中觀察到的 AAD 和嚴(yán)重 AAD 的發(fā)生率增加，尤其是在升主動(dòng)脈、主動(dòng)脈弓和腎上主動(dòng)脈中觀察到。

此外，還檢查了 SMC-Yap-/- 小鼠和 SMC-Yap+/+ 小鼠主動(dòng)脈的收縮功能。在沒有 AngII 輸注的情況下，與 SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠的收縮功能顯著受損。AngII 輸注（1000 ng/kg/min，持續(xù) 7 天）降低了 SMC-Yap+/+ 小鼠的收縮性，且在 SMC-Yap-/- 小鼠中進(jìn)一步降低（圖3 H），表明 Yap 的丟失在有或沒有 AngII 輸注的兩種情況下都會(huì)導(dǎo)致收縮功能障礙。這些發(fā)現(xiàn)支持，SMC YAP 在主動(dòng)脈應(yīng)力下維持主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)和功能完整性方面起關(guān)鍵作用。

圖3 平滑肌細(xì)胞（SMC）特異性 YAP 在主動(dòng)脈壁中的保護(hù)作用。

圖4 圖形概要

總之，該研究表明，主動(dòng)脈應(yīng)力在 SMCs 中誘導(dǎo)表觀遺傳程序，促進(jìn)維持主動(dòng)脈穩(wěn)態(tài)的適應(yīng)性反應(yīng)。YAP 通過感應(yīng)機(jī)械信號(hào)和誘導(dǎo)適應(yīng)性基因表達(dá)，在這種適應(yīng)性反應(yīng)中起著核心作用。適應(yīng)性反應(yīng)受損可能代表主動(dòng)脈疾病發(fā)展的重要機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：Zhang C, Li Y, Chakraborty A, Li Y, Rebello KR, Ren P, Luo W, Zhang L, Lu HS, Cassis LA, Coselli JS, Daugherty A, LeMaire SA, Shen YH. Aortic Stress Activates an Adaptive Program in Thoracic Aortic Smooth Muscle Cells That Maintains Aortic Strength and Protects Against Aneurysm and Dissection in Mice. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2023 Feb;43(2):234-252. doi: 10.1161/ATVBAHA.122.318135. Epub 2022 Dec 29. PMID: 36579645; PMCID: PMC9877188.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36579645/

IF：7.4

ISSN：1079-5642

圖片來源： 所有圖片均來源于參考文獻(xiàn)

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