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.

主动脉壁暴露在不断变化的环境中。在压力增加的情况下，如血流动力学压力，主动脉壁感应机械信号发生重塑，并增加其厚度以保持主动脉强度和承受压力。这种适应性反应由多种细胞类型协调，特别是主动脉平滑肌细胞（SMCs），它们接收机械信号并激活信号传导和基因表达以增加主动脉壁强度。各种遗传缺陷和环境风险因素可能会损害这种适应性反应，导致主动脉衰竭、主动脉瘤和急性主动脉夹层（AAD）发展，并最终导致破裂。然而，这种适应性反应的分子和细胞过程及其调控尚不清楚。

鉴于此，美国贝勒医学院心脏外科及肯塔基大学列克星敦分校生理学系团队在一项研究中对高脂肪饮食（HFD）和血管紧张素II（AngII）输注野生型小鼠诱导的散发性AAD小鼠模型的主动脉进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）分析，观察到 AngII 输注诱导内侧厚度增加，这与胸主动脉 SMC 群体中的适应性基因表达程序有关，且Yes 相关蛋白（YAP）被确定为驱动这种适应性反应的关键转录因子（TF），对于维持主动脉稳态、预防动脉瘤和夹层的发展至关重要。研究成果发表于 Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology 期刊题为“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，研究了饲喂高脂饮食并输注 AngII（2000 ng/kg/min；AngII/HFD）的 WT 小鼠的适应性反应。研究表明，在 C57BL/6J WT 小鼠中，AngII/HFD 可诱导胸主动脉段和腹主动脉段的主动脉退行性变，出现主动脉扩张、AAD（包括主动脉瘤、夹层和破裂）、重度 AAD（包括夹层和破裂）和破裂。同时，主动脉内侧厚度和SMC 增殖显著增加。然后，检查了响应 AngII 输注的 SMCs 基因表达谱的变化，发现 AngII/HFD 处理的 WT 小鼠的 SMCs 中参与伤口愈合、弹性纤维组装、ECM 组织、肌动蛋白细胞骨架组织和细胞-基质-黏着斑的基因表达增加，多种信号通路，如 P13K-Akt 和转化生长因子TGF-β也上调。差异表达基因（DEG）分析表明，AngII/HFD 增加了与增殖、胶原蛋白生成、弹性纤维组织、细胞基质连接、细胞迁移、细胞存活、抗氧化剂、DNA 损伤修复、生长因子分泌和 TGF-β信号等相关的适应性反应基因的 mRNA 丰度。这些数据表明，主动脉暴露于 AngII/HFD 会触发参与 SMC 功能和 ECM 重塑的基因集的系统性诱导，这可能对维持主动脉壁强度和主动脉压力升高很重要。

为了了解响应主动脉应激的基因表达的控制，进行 scATAC-seq 分析以检查 AngII/HFD 处理的小鼠和盐水/CD 对照处理的小鼠的主动脉 SMCs 中适应性反应基因的染色质可及性。根据基因活性谱的相似性，总共鉴定了 18 个簇（图1 A），这些簇的身份是根据细胞标记基因的染色质可及性/基因活性确定的（图1 B），其中有 3 个 SMC 簇显示出 SMC 特异性基因活性。

通过GO分析和差异激活基因（DAG）分析比较盐水/CD 处理和 AngII/HFD 处理小鼠 SMCs 中基因活性谱（图1 C、D），发现 AngII/HFD 处理小鼠的 SMCs 中细胞因子产生和炎症反应的基因活性增加。与其基因表达谱一致，AngII/HFD 处理小鼠的 SMC 在伤口愈合、血管生成、增殖、ECM 组织、肌动蛋白细胞骨架组织、细胞迁移、氧化应激反应和 TGF-β 信号中也表现出基因活性富集。这些数据表明，通过增加基因调控区域的染色质可及性，主动脉暴露于 AngII/HFD 会诱导适应性基因表达。

图1 scATAC-seq分析显示，主动脉应激触发平滑肌细胞（SMCs）染色质可及性动力学。

接下来，为了了解适应性反应的调节，尝试确定参与适应性基因诱导的转录因子（TFs），发现转录增强相关结构域蛋白（TEAD）家族成员是与适应性基因活性强烈正相关的基序活性转录因子。TEADs 是 YAP 的转录伙伴，YAP 是感知机械信号和促进细胞增殖和器官发育的关键信号分子。为了了解 YAP/TEADs 在 AngII 输注期间 SMC 基因表达中的更广泛作用，检查了包含 TEAD 基序的 YAP/TEAD 靶标的染色质可及性。与对照处理小鼠的 SMC 相比，2383 个基因在 AngII/HFD 处理小鼠的 SMCs 中显示出丰富的染色质可及性/基因活性，这些基因与肌肉细胞增殖、肌动蛋白丝组织和 ECM 组织有关，并在 Wnt、TGF-β 和 PI3K-Akt 信号通路富集。这些数据支持，YAP/TEADs 在 SMCs 响应 AngII/HFD 中增强适应性基因的染色质可及性/基因活性方面的潜在作用。然后，研究了弹性纤维中维持主动脉壁完整性的关键成分——赖氨酰氧化酶（LOX），发现 AngII/HFD 处理的小鼠 SMCs 中 Lox 表达和基因活性显著增加，这些数据表明，YAP/TEAD 可能与适应性基因的调控区域结合并参与这些基因的组成型和诱导型表达。

为了进一步确定 YAP 在 SMCs 中响应机械应力的直接作用，施加循环拉伸应力以检查 YAP 的激活及其对 SMC 基因表达的影响，这模拟了血压对主动脉细胞产生的机械力。人胸主动脉 SMCs 经历循环拉伸（10%，1 Hz） 24 小时，发现其显著增加了 EdU标记的增殖 SMCs 的百分比（图2 A）和胶原蛋白I、胶原蛋白 III、弹性蛋白和 LOX（前 LOX 和活性 LOX）的产生（图2 B）。

循环拉伸还增加了 YAP 表达、YAP 去磷酸化/激活（图2 B、C）和 YAP 细胞核易位（图2 D）。重要的是，WT YAP 或组成型活性 YAP 的过表达诱导细胞增殖（图2 E）和 LOX、弹性蛋白、胶原蛋白I 和胶原蛋白 III 的产生（图2 F）。相反，删除 YAP 阻止了循环拉伸诱导的 LOX 蛋白丰度和切割（图2 G）和 Lox mRNA（图2 H）的增加。

为了确定 YAP 在 SMCs 中的直接靶点，检查循环拉伸对 YAP 与靶点结合的影响，进行了基于 YAP 的 ChIP-seq 分析，发现在拉伸的 SMCs 中共有 581 个结合位点/基序富集，并确定了一组新的 YAP 靶点，如 ECM 相关基因（Col12a1、Fn1、Lox、Mfap5 和 Fstl1）、血管生成相关基因（Tnfrsf12a、Jag1、Notch2 和 Srpx2）、细胞迁移基因 （Enah 和 Anln）、生长因子基因 Igfbp2 和 TGF-β 信号转导基因（Smad2 和 Rasl11b）。

这些研究结果表明，YAP 与适应性基因（例如 LOX）的调控区域结合，并诱导它们在周期性拉伸下的表达，YAP 在感知机械信号和诱导 SMCs 中的 ECM 产生和细胞增殖方面起着关键作用。

图2 YAP 响应循环拉伸在促进平滑肌细胞（SMC）增殖和细胞外基质（ECM）基因表达中的关键作用。

为进一步确定 YAP 在主动脉应激期间 SMC 适应性基因表达中的作用，对 SMC 特异性 Yap 缺失小鼠的升主动脉进行了 scRNA-seq 分析，比较了 SMC-Yap+/+ 和 SMC-Yap-/- 小鼠之间的基因表达谱。GO 和 KEGG 分析结果表明，SMC-Yap+/+ 小鼠中输注 AngII 增加了在伤口愈合、SMC 增殖、迁移、ECM 产生/组织、细胞-基质粘附/黏着斑以及细胞对 TGF-β 刺激的反应中发挥作用的基因的 mRNA 丰度。然而，这种上调在 AngII 注入的 SMC-Yap-/- 小鼠中受到损害。进一步的 DEG 分析还表明，AngII 输注诱导了 SMC-Yap+/+ 小鼠中适应性反应基因的表达，并且这种诱导在 SMC-Yap-/- 小鼠中被削弱，这支持 YAP 在促进适应性反应中基因表达中的作用。注入 AngII 的 SMC-Yap+/+ 小鼠YAP 表达增加、p-YAP/总 YAP 比率降低以及 YAP 核易位增加，说明 AngII 输注诱导 YAP 激活。与注入 AngII 的SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠显示 SMC 增殖、中层厚度和 ECM 蛋白（弹性蛋白、LOX、胶原蛋白 I 和胶原蛋白 III）的产生显著降低，但 SMC 细胞凋亡增加。这些发现支持，YAP 在促进主动脉应力下的适应性反应中的关键作用。

最后，通过比较输注 AngII（1000 ng/kg/min）的 SMC-Yap-/- 和 SMC-Yap+/+ 小鼠的疾病发展评估 SMC YAP 在主动脉保护中的作用。与注入 AngII 的 SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠显示主动脉变性/破坏显著增加（图3 A），大多数主动脉段的主动脉扩张（图3 B），扩张发生率增加、AAD（包括所有动脉瘤、夹层和破裂）和重度 AAD （包括夹层和破裂）情况加剧（图3 C）。在 AngII 输注的 SMC-Yap-/- 小鼠中观察到的 AAD 和严重 AAD 的发生率增加，尤其是在升主动脉、主动脉弓和肾上主动脉中观察到。

此外，还检查了 SMC-Yap-/- 小鼠和 SMC-Yap+/+ 小鼠主动脉的收缩功能。在没有 AngII 输注的情况下，与 SMC-Yap+/+ 小鼠相比，SMC-Yap-/- 小鼠的收缩功能显著受损。AngII 输注（1000 ng/kg/min，持续 7 天）降低了 SMC-Yap+/+ 小鼠的收缩性，且在 SMC-Yap-/- 小鼠中进一步降低（图3 H），表明 Yap 的丢失在有或没有 AngII 输注的两种情况下都会导致收缩功能障碍。这些发现支持，SMC YAP 在主动脉应力下维持主动脉结构和功能完整性方面起关键作用。

图3 平滑肌细胞（SMC）特异性 YAP 在主动脉壁中的保护作用。

图4 图形概要

总之，该研究表明，主动脉应力在 SMCs 中诱导表观遗传程序，促进维持主动脉稳态的适应性反应。YAP 通过感应机械信号和诱导适应性基因表达，在这种适应性反应中起着核心作用。适应性反应受损可能代表主动脉疾病发展的重要机制。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36579645/

IF：7.4

ISSN：1079-5642

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