Notch signaling regulates strain-mediated phenotypic switching of vascular smooth muscle cells

Keywords: Notch signaling; cardiovascular; mechanosensitive; phenotype; strain; stretch quantification; vascular smooth muscle cells.

組織生長和重塑主要由細胞介導，機械信號在此過程中起著關鍵作用。在血管壁中，血管平滑肌細胞（VSMCs）是血管重塑的重要調(diào)節(jié)因子，因為它們能夠表達不同的表型，即分化表型（收縮表型）和去分化表型（合成表型）。VSMCs在穩(wěn)態(tài)下表現(xiàn)出靜止的收縮表型，但能夠在血流動力學條件發(fā)生變化時切換到合成表型以誘導生長和重塑。VSMCs經(jīng)歷的循環(huán)應變會影響其表型，與靜態(tài)對照相比，循環(huán)應變時收縮表型標志物的上調(diào)和下調(diào)都有報道。然而，應變介導的VSMC表型變化的潛在機制尚未wanquan解開。

 VSMCs的表型可塑性受幾種信號通路的調(diào)節(jié)，例如轉(zhuǎn)化生長因子β、Hippo/yes相關蛋白和 Notch，它們越來越被認為是機械敏感的。此外，已知Notch信號參與血管系統(tǒng)的發(fā)育、重塑和穩(wěn)態(tài)。在血管壁中，內(nèi)皮細胞表達的 Jagged1 配體與鄰近 VSMCs 的 Notch 受體結(jié)合，并以前饋方式激活 Notch 信號。這種相互作用使Notch信號通過稱為側(cè)向誘導的過程在VSMC層中傳播，并促進VSMCs的分化。然而，在血管重塑的背景下，應變和 Notch 信號轉(zhuǎn)導之間的相互作用如何以及在多大程度上影響 VSMC 表型尚未得到研究。

鑒于Notch在調(diào)節(jié)血管發(fā)育和適應方面的重要作用，荷蘭埃因霍芬理工大學生物醫(yī)學工程系課題組曾假設Notch信號可以直接調(diào)控VSMC表型以響應機械應力，該團隊通過獲取VSMCs的合成和收縮表型，并將其循環(huán)拉伸48小時，以確定由應變引起的表型標記物的變化。結(jié)果表明，應變對收縮表型 VSMCs 的應用導致了其向合成表型的轉(zhuǎn)化，而Notch信號在此過程中發(fā)揮重要作用。研究成果發(fā)表在 Frontiers in Cell and Developmental Biology 期刊題為“Notch signaling regulates strain-mediated phenotypic switching of vascular smooth muscle cells”。

首先，為了闡明Notch對VSMC表型的影響，通過抑制劑DAPT抑制Notch信號，同時將VSMCs接種在固定的Jagged1配體上來激活Notch信號。實驗觀察到，與對照組相比，在DAPT后，收縮型VSMCs中αSMA的纖維組織丟失（圖1 A），ACTA2表達普遍較低，但DAPT 處理幾乎不影響合成細胞中 ACTA2 和 KI67 的表達以及 αSMA 和 KI67 染色（圖1 A-D）。相比之下，與DAPT處理組相比，Notch信號的激活增加了合成和收縮型VSMCs的收縮特征（圖1 A、C），且Notch活化顯著降低了合成VSMCs的增殖特征（圖1 B、D）。這些觀察結(jié)果表明，Jagged1介導的Notch激活增加了VSMCs的收縮特性。 DAPT介導的Notch信號抑制降低了收縮型VSMCs中收縮蛋白的表達，盡管不顯著，這與Notch在維持VSMCs的收縮特性中的作用一致。

然后，實驗評估了合成和收縮型 VSMCs 中 Notch 通路基因的表達，發(fā)現(xiàn)與合成 VSMCs相比，收縮 VSMCs 顯示 JAG1 的表達增加，NOTCH1 和 NOTCH2 的表達降低。Notch信號的抑制通常降低了NOTCH3和JAG1的表達，Notch信號的激活顯著增加了NOTCH3在合成和收縮VSMCs中的表達，以及JAG1在合成細胞中的表達，但NOTCH1 和 NOTCH2 的表達不受 Notch 信號抑制和激活的影響。

此外，評估Notch信號對ECM產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)與合成 VSMCs 相比，收縮型 VSMCs 顯示更多的膠原I 染色，COL1A1 和 COL3A1 水平升高。與對照組相比，DAPT 介導的 Notch 抑制通常導致所有研究的 ECM 組分的表達水平較低，相比之下，Jagged1介導的Notch激活增加了合成和收縮型VSMCs中所有研究的ECM組分的表達。

圖1  合成和收縮VSMCs的表征，以及Notch信號抑制和激活對VSMCs表型的影響。

接下來，為了確定應變對 VSMC 表型的影響，對合成和收縮型的 VSMCs進行不同應變水平的機械拉伸（1 Hz，4%），發(fā)現(xiàn)收縮型VSMCs 在 αSMA 染色水平和 ACTA2 表達水平降低，向合成表型轉(zhuǎn)變，而合成型 VSMCs 的收縮特征不受應變的顯著影響（圖2）。施加應變時收縮型 VSMCs 中 ACTA2 表達的降低與施加的應變水平相關，而在合成型 VSMCs 中的表達水平未檢測到與應變的顯著相關性（圖2 C）。

然后評估了應變對Notch通路關鍵信號分子的影響，發(fā)現(xiàn)NOTCH1 和 NOTCH2 表達僅在收縮型 VSMCs 中對應變有反應，在施加應變時水平升高；NOTCH3 和 JAG1 表達在兩種 VSMCs 表型中都受到應變的影響，隨著應變水平的增加而降低，這種降低在收縮型 VSMCs中更明顯。

此外，評估應變對合成和收縮型 VSMCs 的 ECM 生成的影響，發(fā)現(xiàn)只有合成VSMCs在ECM表達方面表現(xiàn)出對應變的反應。具體而言，合成型VSMCs中COL1A1、COL3A1、COL4A1和FN的表達水平隨應變而降低，而收縮型VSMCs的表達水平與應變無顯著相關性。

圖2 應變對VSMCs表型的影響。

最后，為了闡明Notch信號在應變介導的VSMC表型變化中的作用，通過DAPT抑制Notch信號，并通過Jagged1配體激活Notch信號。實驗觀察到，合成型VSMCs的收縮特征在應變期間幾乎沒有受到Notch信號抑制的影響。此外，當 Notch 信號受到抑制時，收縮型 VSMCs 在 αSMA 含量和組織方面轉(zhuǎn)向合成表型（圖3 A）。在兩種表型中，對照和DAPT 處理的樣本中檢測到相似的ACTA2表達（圖3 B、C）。另一方面，激活 Notch 增加了收縮標志物的表達，并在施加應變時部分挽救了收縮型 VSMCs的收縮特征（圖3 A）。此外，即使施加應變，在Notch激活的合成和收縮VSMCs中，ACTA2的表達普遍高于相應的對照和DAPT處理組（圖3 C）。這表明Notch信號在應變介導的表型變化中的重要作用。

為了研究Notch信號在應變介導的Notch通路基因變化中的作用，評估了合成和收縮型VSMCs中的NOTCH1、NOTCH2、NOTCH3和JAG1水平。在兩種表型中，NOTCH1 和 NOTCH2 的表達僅受 DAPT 介導的 Notch 抑制和 Jagged1 介導的 Notch 激活的輕微影響。另一方面，拉伸過程中的Notch激活上調(diào)了NOTCH3和JAG1在合成和收縮型VSMCs中的表達。此外，在兩種表型中，NOTCH3表達在對照組中受應變下調(diào)，在Notch激活后不隨應變而降低，這與觀察到Notch激活的收縮型VSMCs在拉伸過程中收縮特征的部分恢復一致。有趣的是，在 Notch 激活的合成和收縮型 VSMCs 中，JAG1 表達仍隨應變而降低，這與Notch激活的收縮VSMCs中ACTA2水平隨應變而降低相關。

然后，評估了Notch信號在應變介導的ECM生成變化中的作用，發(fā)現(xiàn)與對照水平相比，拉伸過程中DAPT介導的Notch抑制幾乎不影響合成和收縮型VSMCs的ECM表達。另一方面，Notch激活提高了兩種表型中所有研究的ECM蛋白的表達水平。此外，在Notch激活的合成型VSMCs中，觀察不到ECM表達的應變依賴性，特別是COL1A1、COL3A1和FN水平。

圖3    Notch信號抑制和激活對應變介導的VSMC表型變化的影響。

圖4    圖形概要。（A）由內(nèi)皮細胞（ECs）啟動的Jagged1介導的Notch信號通過血管壁傳播并決定血管平滑肌細胞（VSMCs）向收縮表型的分化。高 Jagged1-Notch3 活性導致 VSMCs 的收縮表型，低 Jagged1-Notch 活性與 VSMCs 的合成表型相關。（B）在這項研究中，發(fā)現(xiàn) Jagged1 的誘導上調(diào)了 NOTCH3 和 JAG1 的表達，并增加了 VSMCs 的收縮特征。這表明Notch信號直接影響VSMC表型。（C）應變對收縮型 VSMCs的施加下調(diào)了 NOTCH3 和 JAG1 的表達，并將收縮型 VSMCs 轉(zhuǎn)向合成表型。（D）在應用應變過程中Jagged1 的誘導部分挽救了 VSMCs 的收縮表型。因此，Notch信號在應變介導的VSMCs表型轉(zhuǎn)化中起著重要作用。

綜上所述，該研究結(jié)果證明了Notch信號在調(diào)節(jié)應變介導的VSMCs表型轉(zhuǎn)化中的重要性。研究表明，通過利用Notch信號和應變之間的相互作用，可以（部分）控制VSMCs的命運，并強調(diào)了Notch信號是血管治療和再生醫(yī)學中的潛在靶點。然而，未來應進一步研究Notch信號在控制VSMC命運方面的劑量反應性以及不同受體在調(diào)節(jié)VSMC表型和血管重塑中的不同作用，以充分了解通過機械敏感Notch通路調(diào)節(jié)VSMC表型的機會和局限性。

參考文獻：Karakaya C, van Turnhout MC, Visser VL, Ristori T, Bouten CVC, Sahlgren CM, Loerakker S. Notch signaling regulates strain-mediated phenotypic switching of vascular smooth muscle cells. Front Cell Dev Biol. 2022 Aug 12;10:910503. doi: 10.3389/fcell.2022.910503. PMID: 36036000; PMCID: PMC9412035.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36036000/

5.5  Impact Factor

Electronic ISSN  2296-634X

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯(lián)系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯(lián)系小編。感謝各位的瀏覽以及關注!進入官網(wǎng)www.naturethink.com或關注"Naturethink"公眾號，了解更多相關內(nèi)容。

點擊了解：牽張應變細胞培養(yǎng)儀
點擊了解：細胞張應力（應變）刺激實驗系統(tǒng)