2023年11月22日，中國農業(yè)大學任發(fā)政院士/郭慧媛教授團隊和首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院張宏家/姜文劍教授團隊合作在European Heart Journal發(fā)表了題為“The activator protein-1 complex governs a vascular degenerative transcriptional programme in smooth muscle cells to trigger aortic dissection and rupture”的研究論文杈湾，繪制了主動脈夾層（AD）進展過程中人升主動脈的細胞圖譜，揭示AP-1調控平滑肌表型轉換和AD發(fā)病進程的作用機制菇爪。該研究中的單細胞測序及數(shù)據(jù)分析服務由百奧智匯提供设联。
一、研 究 背 景
主動脈夾層（AD）是一種退行性主動脈重塑疾病瓢娜，由于缺乏有效的治療藥物醇滥，其死亡率極高黎比。中膜內壁的平滑肌細胞（SMCs）會呈現(xiàn)一系列狀態(tài)，它們從收縮表型到合成表型的轉變從根本上觸發(fā)了AD鸳玩。然而阅虫，控制這一轉變和隨后發(fā)生主動脈夾層的潛在病理機制，仍然難以捉摸不跟，特別是在不同的疾病階段颓帝。
二、研 究 方 法
對9名接受升主動脈置換術的患者（包括4名急性患者、3名亞急性患者和2名慢性患者）和5名接受心臟移植患者的升主動脈進行了單細胞RNA測序躲履。通過軌跡推斷、功能評分聊闯、SCENIC和相互作用分析來鑒定控制SMC表型轉換的致病靶標工猜，并通過細胞實驗、小鼠模型實驗進行驗證菱蔬。
三篷帅、研 究 結 果
01 單細胞測序鑒定出人類主動脈中一種新興的合成型平滑肌細胞亞群
單細胞測序共得到93,397個高質量單細胞數(shù)據(jù)，將28個樣本的數(shù)據(jù)整合后進行分群和細胞類型注釋拴泌，共鑒定出12個細胞亞群魏身，包括內皮細胞（ECs）、平滑肌細胞（SMCs）蚪腐、成纖維細胞箭昵、合成型平滑肌細胞、間充質細胞回季、增殖細胞家制、髓系細胞、纖維樣巨噬細胞泡一、T細胞颤殴、B細胞、肥大細胞和NK細胞鼻忠，并通過GO分析涵但，確定了分群的準確性。將所有數(shù)據(jù)分為對照組和AD實驗組帖蔓，結果表明矮瘟，在實驗組人類主動脈中有一種新興的合成型SMCs，通過對比合成型SMCs與所有主動脈細胞的比例塑娇，進一步證明了該亞群在AD中的增加芥永。
02 合成型SMCs可能的起源和特征
SMC從收縮表型到合成表型的轉變是導致主動脈變性和夾層的關鍵事件。為了探究合成型SMCs的潛在起源和病理特征钝吮，作者對所有的非免疫細胞進行了重新聚類埋涧，得到17個亞群，包括4個SMC亞群奇瘦。其中棘催，收縮型SMCs表達經(jīng)典的收縮相關基因，而其他3個亞群收縮基因表達量相對較低耳标。合成型SMCs又被分為3個亞型：纖維樣SMCs醇坝、脂肪樣SMCs和纖維肌細胞。由于合成型SMCs高表達典型的合成基因，而收縮相關基因低表達呼猪，因此画畅，這可能反映了在AD中存在從收縮到合成型的轉變，并通過進一步分析證明宋距。細胞比例分析表明轴踱，收縮型SMCs在AD中占比顯著降低，而合成型SMCs比例顯著升高谚赎；相似性分析表明淫僻，在所有血管細胞亞群中，合成型上調表達的基因與SMCs的特征基因最相似壶唤；軌跡推斷分析表明雳灵，收縮型SMCs是3個合成型SMCs的起源。
03 AD不同疾病階段的特異性表型轉換及機制探究
AD的不同疾病階段顯示出不同的病理特征闸盔。急性和亞急性組中分離出的收縮型SMCs收縮基因表達評分低于慢性組悯辙，而合成型SMCs的合成基因表達評分高于慢性組；急性和亞急性AD中的表型轉換評分和合成型SMCs的相對細胞數(shù)量都比慢性AD高迎吵，表明不同疾病階段擁有特異的表型轉換特征笑撞。擬合曲線分析表明AD中存在疾病階段特異性的細胞外基質重塑。此外钓觉，通過對人升主動脈樣本的分析茴肥，進一步證明急性和亞急性AD中收縮相關基因表達下調，合成基因表達上調荡灾。以上分析都表明AD中存在疾病階段特異的表型轉換瓤狐。
04 AP-1介導收縮型SMCs向纖維樣SMCs和脂肪樣SMCs的表型轉換
作者通過對比收縮型SMCs和合成型SMCs的基因表達，篩選出兩個亞群的差異表達基因批幌，發(fā)現(xiàn)多個AP-1亞基础锐，包括FOS、FOSB荧缘、JUN皆警、JUNB和JUND。通過SCENIC分析發(fā)現(xiàn)截粗，AP-1調控基因在纖維樣平滑肌和脂肪樣平滑肌中表達活躍信姓，同時，在急性和亞急性AD中绸罗，AP-1隨著發(fā)育軌跡表達量升高意推。接下來，作者通過ChIP實驗證明珊蟀，p-JUN特異性抗體可以結合在COL5A1菊值、COL1A1、COL1A2和ApoE的啟動子區(qū)。使用AP-1激活劑和抑制劑分別處理細胞腻窒，證明AP-1的升高和激活促進了AD中合成型SMC的擴增昵宇。
接下來，作者探究了促進AP-1介導的表型轉換的上游調控因子儿子。差異表達分析和通路分析表明瓦哎，相比于纖維樣平滑肌和脂肪樣平滑肌，收縮型SMCs中ATP代謝過程和OXPHOS富集典徊，進一步結合軌跡推斷分析，提示OXPHOS可能負向調控合成型SMCs在AD中的擴增恩够。作者用魚藤酮和輔酶Q10處理細胞卒落，證明了抑制OXPHOS可以激活AP-1。ChIP實驗表明蜂桶，魚藤酮增強了p-JUN抗體與選定合成基因啟動子區(qū)域內的推測位點的結合儡毕，而輔酶Q10則相反。以上結果都證明OXPHOS的缺陷作用于AP-1的上游扑媚，促進合成型SMC的擴增腰湾。
05 腫瘤壞死因子（TNF）觸發(fā)OXPHOS—AP-1軸進而促進表型轉換
AP-1對外部有絲分裂刺激有響應，因此疆股，作者進一步探究了觸發(fā)OXPHOS—AP-1介導的表型轉換的細胞外信號费坊。GO分析表明，纖維樣平滑肌和脂肪樣平滑肌中旬痹，與AP-1共表達的基因在多個TNF信號通路和ECM相關通路顯著富集附井。細胞互作分析表明，急性和亞急性AD中两残，免疫細胞亞群和收縮型SMCs的TNF信號通路有明顯的相互作用永毅。通過TNF-α處理aoSMCs降低了ATP水平和膜電位等，而用輔酶Q10則恢復了這一作用人弓，無論是與輔酶Q10還是AP-1抑制劑共同處理沼死，都可以抑制TNF-α介導的收縮基因下調和合成基因升高。這些結果表明崔赌，TNF信號抑制了OXPHOS和隨后的AP-1激活意蛀，從而促進了合成型SMCs的擴增。
進一步地健芭，作者通過小鼠模型實驗證明了以上結論浸间，通過靶向AP-1抑制SMCs的表型轉換，進而緩解AD吟榴。
四魁蒜、研 究 結 論
本文通過單細胞測序，分析發(fā)現(xiàn)了AD中新興的合成型SMCs亞群，并結合細胞實驗和動物模型實驗兜看，證明了TNF信號可以通過抑制OXPHOS和隨后的AP-1激活促進了合成型SMCs的擴增锥咸。通過靶向AP-1可以抑制SMCs的表型轉換，進而緩解BAPN誘導的小鼠胸主動脈夾層细移。該研究為治療人主動脈夾層提供了重要的科學依據(jù)搏予。
本研究由中國農業(yè)大學和首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院合作完成。中國農業(yè)大學的羅永挺教授弧轧、羅俊杰教授雪侥、安鵬教授、趙文婷博士和首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院的趙遠斐副研究員為本文的共同第一作者精绎。中國農業(yè)大學任發(fā)政院士速缨、郭慧媛教授以及首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院院長張宏家教授、心外科姜文劍教授為本文的共同通訊作者代乃。
專 家 評 論
——日內瓦大學醫(yī)學系心臟病學部Kapka Miteva教授
主動脈夾層（AD）是一種災難性疾病旬牲，導致主動脈內膜層撕裂，造成內膜層和內膜層分離搁吓，引起主動脈壁內部和沿主動脈壁出血原茅。AD是一種新出現(xiàn)的心血管疾病負擔，具有很高的死亡風險堕仔。盡管手術和介入方法有所改進擂橘，但AD患者的死亡率和發(fā)病率仍然很高。目前摩骨，尚無預防贝室、穩(wěn)定或逆轉 AD 的藥物治療方法。具有收縮表型的血管平滑肌細胞（vSMC）是主動脈介質的主要成分仿吞，負責維持血管張力滑频。在損傷、血管炎癥和氧化應激的作用下唤冈，血管平滑肌細胞會發(fā)生去分化峡迷、增殖、遷移你虹，并減弱其收縮特性绘搞，形成一種合成表型，這是主動脈壁減弱的根本原因傅物，也是導致病理性AD的原因之一夯辖。目前還沒有直接針對 SMC表型轉換的介質的療法，而合成表型會促進主動脈瘤和AD的形成董饰。揭示vSMC亞型的異質性和功能多樣性蒿褂、其轉換過程以及控制這一過程的分子機制將促進該領域的研究進展圆米。幸運的是，單細胞 RNA 測序技術（scRNA-seq）的發(fā)展為揭示細胞異質性和研究疾病機制帶來了突破性進展啄栓。
正如本期European Heart Journal所報道的娄帖，利用scRNA-seq技術，羅永挺教授及其同事構建了不同AD進展階段中人類升主動脈橫斷面單細胞轉錄組圖譜昙楚，并發(fā)現(xiàn)了調控AD中vSMC表型轉換的機制近速。在所有AD患者升主動脈中，發(fā)現(xiàn)了合成型SMC亞群堪旧，在急性和亞急性AD組中削葱，AD相關vSMC合成表型的特征是疾病時間特異性細胞外基質（ECM）重塑和合成標志物（如蛋白酶和炎癥因子）上調，AP-1的表達沿著發(fā)育軌跡持續(xù)升高淳梦。
AP-1是最早被發(fā)現(xiàn)的哺乳動物轉錄因子之一析砸，在調節(jié)增殖、凋亡谭跨、分化干厚、存活李滴、細胞遷移和轉化等多種細胞過程中具有重要功能螃宙，在癌癥、纖維化所坯、器官損傷和炎癥性疾病等疾病中發(fā)揮著重要作用谆扎。此外，在本期European Heart Journal上芹助，羅永挺教授等人發(fā)現(xiàn)堂湖，高血壓是AD的一個主要風險因素，而高血壓會導致AP-1在 AD 患者的合成血管內皮細胞中過度表達状土。一系列分析表明无蜂，腫瘤壞死因子（TNF）信號是抑制 OXPHOS 并隨后觸發(fā) AP-1激活、促進合成纖維樣vSMCs和脂肪樣vSMC表型轉換的原因蒙谓。通過增強OXPHOS或抑制AP-1來靶向OXPHOS-AP-1軸斥季，可提高AD小鼠模型的存活率并緩解 AD 的發(fā)展。因此累驮，這項工作提供了對退行性主動脈重塑過渡過程的全面了解酣倾，為開發(fā)針對TNF—OXPHOS—AP-1軸的人類AD治療方法鋪平了道路，這是一種消除AD中合成vSMC表型轉換的特定方法谤专。
本研究在揭示AD中vSMC表型轉換的機理調控方面取得了重大進展躁锡，并確定了抑制AP-1相關信號通路的選擇性小分子，作為人類AD的可行治療策略置侍，進一步的臨床轉化工作仍是當務之急映之。
參考文獻：
1. Luo, Yongting et al. “The activator protein-1 complex governs a vascular degenerative transcriptional programme in smooth muscle cells to trigger aortic dissection and rupture.” European heart journal, ehad534. 22 Nov. 2023, doi:10.1093/eurheartj/ehad534
2. Miteva, Kapka. “On target inhibition of vascular smooth muscle cell phenotypic transition underpins TNF-OXPHOS-AP-1 as a promising avenue for anti-remodelling interventions in aortic dissection and rupture.” European heart journal, ehad679. 24 Nov. 2023, doi:10.1093/eurheartj/ehad679
