PI3KCIIα自噬防小鼠低剪切應(yīng)力引起的內(nèi)皮功能障礙與動脈粥樣硬化
瀏覽次數(shù):517 發(fā)布日期:2024-9-10
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PI3KCIIα-Dependent Autophagy Program Protect From Endothelial Dysfunction and Atherosclerosis in Response to Low Shear Stress in Mice
Keywords: atherosclerosis; autophagy; endothelial cell; phosphoinositide 3-kinase; primary cilium; shear stress.
動脈粥樣硬化是一種累及大動脈和中動脈的復(fù)雜、多因素性病變,在心血管疾病中占有很大比例。衰老或代謝紊亂在動脈粥樣硬化斑塊沉積的第一步中損害內(nèi)皮屏障完整性的主要誘發(fā)因素。除了全身因素外,內(nèi)皮細(xì)胞(EC)單層還不斷暴露于血流和相關(guān)的流體剪切應(yīng)力中。剪切應(yīng)力強(qiáng)烈影響EC穩(wěn)態(tài),不同的剪切應(yīng)力模式?jīng)Q定了動脈粥樣硬化病變沿血管樹的不均勻分布。
自噬是一種由各種細(xì)胞應(yīng)激誘導(dǎo)的分解代謝過程,它被激活以確保細(xì)胞質(zhì)成分被自噬體隔離并輸送到溶酶體進(jìn)行降解和回收。自噬體的生物發(fā)生由 ULK1/PIK3C3 復(fù)合物I(VPS34-VPS15-Beclin1-ATG14L)啟動,其中VPS34是 Ⅲ型磷脂酰肌醇激酶(PI3K-Ⅲ),其催化底物磷脂酰肌醇(PI)磷酸化生成的3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)為自噬小體形成所必需的。研究表明,自噬程序被激活以響應(yīng)高流體剪切應(yīng)力(HSS),誘導(dǎo)內(nèi)皮保護(hù)并預(yù)防動脈粥樣硬化的發(fā)展。相比之下,低流體剪切應(yīng)力(LSS)在內(nèi)皮細(xì)胞中觸發(fā)的自噬反應(yīng)不太明顯。然而,尚不清楚LSS和HSS是否在不同的激活水平上驅(qū)動相同的信號通路,或者使用不同的信號模塊來控制EC功能。
鑒于此,法國INSERM-圖盧茲大學(xué)代謝與心血管疾病研究所及意大利都靈分子生物技術(shù)中心等的研究團(tuán)隊曾探討了小鼠體內(nèi)不同動脈剪切應(yīng)力區(qū)域以及體外流動室中EC的自噬過程,發(fā)現(xiàn)動脈內(nèi)皮LSS和HSS涉及不同的自噬信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊,需要不同類別的PI3K。研究工作揭示了 II 類 PI3Kα 在控制自噬中的重要作用,并證明這種機(jī)制是由PI3KCIIα-(磷酸肌醇 3-激酶II 類α)依賴性初級纖毛組裝調(diào)控驅(qū)動的。具體研究成果發(fā)表在 Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology 期刊題為“PI3KCIIα-Dependent Autophagy Program Protect From Endothelial Dysfunction and Atherosclerosis in Response to Low Shear Stress in Mice”。
首先,為了探索LSS驅(qū)動內(nèi)皮自噬過程的潛在機(jī)制,研究了VPS34和PI3KCIIα表達(dá)水平在ECs對LSS的響應(yīng)。與靜態(tài)培養(yǎng)的ECs相比,LSS(1 dyne/cm²)持續(xù)24 h的ECs中PI3KCIIα蛋白水平顯著升高(圖1 A),VPS34表達(dá)水平保持不變(圖1 B),表明PI3KCIIα優(yōu)先參與ECs對LSS的響應(yīng)。
為了研究這些PI3Ks在LSS和HSS誘導(dǎo)的自噬中的潛在作用,使用小干擾RNA敲低PI3KCIIα和VPS34(圖1 C、J),與陰性對照細(xì)胞相比,PI3KCIIα敲低后,LSS誘導(dǎo)的LC3B陽性結(jié)構(gòu)急劇降低,而VPS34敲低則沒有影響(圖1 C)。這些結(jié)果在毛細(xì)管和蛋白質(zhì)印跡實驗中得到證實(圖1 D)。相比之下,HSS(18 dynes/cm2)對ECs中LC3-B表達(dá)的分析表明,敲低VPS34導(dǎo)致自噬減少,而敲低PI3KCIIα則沒有影響(圖1 G、H)。
這些結(jié)果證明了PI3KCIIα而非VPS34在內(nèi)皮LSS-相關(guān)自噬機(jī)制動員中的重要性,并強(qiáng)調(diào)了內(nèi)皮中不同機(jī)械力誘導(dǎo)的分子機(jī)制的特異性。
圖1 不同的PI3K(磷酸肌苷3-激酶)信號模塊控制自噬響應(yīng)剪切應(yīng)力。
為了進(jìn)一步研究PI3KCIIα在體內(nèi)動脈疾病背景下EC生物學(xué)中的自噬功能,建立了載脂蛋白E基因缺失(ApoE−/−)小鼠和PI3KCIIα雜合缺失(PI3KCIIα+/−)小鼠,發(fā)現(xiàn)與 ApoE−/− 小鼠動脈的 LSS 區(qū)域相比,ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠內(nèi)皮LC3B標(biāo)志物強(qiáng)度顯著降低,而HSS區(qū)內(nèi)皮中LC3B表達(dá)無變化,表明PI3KCIIα表達(dá)降低會損害體內(nèi)動脈內(nèi)皮LSS區(qū)域的自噬。
接下來,研究了PI3KCIIα依賴性自噬去除對EC功能的影響。通過分析PI3KCIIα雜合缺失對主動脈LSS和HSS區(qū)域EC形態(tài)的影響(圖2 A),發(fā)現(xiàn)ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠主動脈弓EC的大小明顯增加(圖2 B、C)。PI3KCIIα表達(dá)降低的小鼠中EC面積的增加與兩種基因型中相同內(nèi)皮區(qū)域主動脈弓細(xì)胞數(shù)量的減少相關(guān)(圖2 D)。相比之下,在兩種基因型的小鼠的降主動脈中均未發(fā)現(xiàn)EC大小或EC數(shù)的變化(圖2 E-G),表明PI3KCIIα表達(dá)降低特異性影響了動脈LSS區(qū)域的EC形態(tài)。
由于 EC 的主要功能是維持屏障完整性,因此研究了這種形態(tài)變化是否伴隨著 LDL(低密度脂蛋白)跨內(nèi)皮通量的變化。結(jié)果表明,PI3KCIIα的缺失導(dǎo)致體外ECs中穿胞作用顯著增加(圖2 H),表明PI3KCIIα是防止膽固醇在內(nèi)皮下空間沉積所必需的。此外,還觀察到PI3KCIIα敲低HUAEC 中DNA 損傷標(biāo)記物磷酸化-H2AX 和衰老標(biāo)志物p16 表達(dá)顯著增加(圖2 I、J),而ApoE−/− 與ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠EC中促炎細(xì)胞因子和炎性粘附分子的表達(dá)水平?jīng)]有改變。這些數(shù)據(jù)表明,PI3KCIIα 是內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子,特別是通過自噬在LSS區(qū)域。
此外,還評估了自噬存在內(nèi)在缺陷的 ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠中的動脈粥樣硬化斑塊負(fù)荷(圖2 K),觀察到小鼠LSS 區(qū)域的動脈粥樣硬化斑塊沉積顯著增加,但在 HSS 區(qū)域則沒有(圖2 L-N),血漿膽固醇水平也沒有變化(圖2 O)。這些數(shù)據(jù)表明,LSS特異性區(qū)域自噬的喪失導(dǎo)致動脈粥樣硬化增加。
圖2 PI3KCIIα的雜合缺失會損害內(nèi)皮細(xì)胞低剪切應(yīng)力(LSS)區(qū)域的穩(wěn)態(tài),增加動脈粥樣硬化。
雷帕霉素復(fù)合物1(mTORC1)通路是多種細(xì)胞類型中細(xì)胞大小和自噬的中心調(diào)節(jié)因子,并且是不同病理學(xué)中眾所周知的藥物靶點。為了進(jìn)一步研究上述發(fā)現(xiàn)的分子和藥理學(xué)意義,假設(shè) mTORC1 通路可以將 PI3KCIIα 與內(nèi)皮細(xì)胞的自噬聯(lián)系起來。為了驗證這一假設(shè),在體外 LSS 下評估其效應(yīng)子p70-S6 激酶在存在或不存在 PI3KCIIα 下的磷酸化水平來測量 mTORC1 激活水平,觀察到PI3KCIIα的缺失導(dǎo)致磷酸化-p70-S6激酶水平顯著升高,表明mTOR受PI3KCIIα負(fù)調(diào)控(圖3 A)。
為了證實這種機(jī)制在體內(nèi)的重要性,評估了 mTOR 的藥理學(xué)抑制是否可以恢復(fù)因 PI3KCIIα 表達(dá)降低而改變的內(nèi)皮功能。將ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠給予依維莫司(mTOR抑制劑)處理(圖3 B),發(fā)現(xiàn)依維莫司導(dǎo)致在 LSS 區(qū)域自噬顯著增加(圖3 C、D),并恢復(fù)EC大。▓D3 G、H),而對HSS區(qū)域這兩個參數(shù)沒有任何影響(圖3 E、F、I、J),這表明 PI3KCIIα 在控制動脈 LSS 區(qū)域的 mTOR 信號傳導(dǎo)中的重要性。此外,實驗證明了依維莫司處理在ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠中顯著減少動脈粥樣硬化沉積,表明mTORC1 調(diào)控將 PI3KCIIα 與自噬聯(lián)系起來以響應(yīng) LSS,抑制mTORC1可以抵消這種病理背景下PI3KCIIα的缺失。
圖3 依維莫司治療可恢復(fù)小鼠內(nèi)皮細(xì)胞自噬,降低PI3KCIIα表達(dá)。
最后,為了進(jìn)一步研究 PI3KCIIα 和 mTOR 調(diào)控之間的聯(lián)系,研究人員探討了初級纖毛的影響。初級纖毛是一種重要的機(jī)械傳感器,一些研究描述了PI3KCIIα是調(diào)控初級纖毛生物合成的關(guān)鍵酶,并證明 mTOR 信號可由初級纖毛激活。實驗觀察到動脈LSS區(qū)域的ECs上初級纖毛的富集。與ApoE−/− 小鼠動脈的LSS區(qū)域相比,ApoE−/−PI3KCIIα+/− 小鼠中的初級纖毛數(shù)量總體減少,纖毛縮短。這些結(jié)果表明,PI3CIIα控制內(nèi)皮初級纖毛的生物發(fā)生以響應(yīng)LSS。
然后敲低纖毛發(fā)生關(guān)鍵基因IFT88以研究在PI3KCIIα缺失的情況下是否會導(dǎo)致體內(nèi)穩(wěn)態(tài)缺陷(圖4 A、B)。在IFT88缺失的EC中,初級纖毛減少(圖4 C),缺乏LC3B陽性結(jié)構(gòu)(圖4 D),LC3-B表達(dá)降低(圖4 E),EC增大(圖4 F、G)。這些結(jié)果與在沒有PI3KCIIα的情況下觀察到的結(jié)果相似,表明PI3KCIIα的缺失模擬了原發(fā)性纖毛缺陷表型,表明該激酶可能通過初級纖毛調(diào)控LSS誘導(dǎo)的自噬和EC穩(wěn)態(tài)。
圖4 PI3KCIIα 缺乏模擬內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的原發(fā)性纖毛缺失。
圖5 圖形概要
總的來說,該研究結(jié)果表明,動脈系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力變異性決定了EC的自噬反應(yīng),對動脈粥樣硬化有直接影響。這項工作揭示了PI3KCIIα/mTOR是LSS區(qū)域內(nèi)皮機(jī)械傳感的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,并闡明了內(nèi)皮初級纖毛在動脈粥樣硬化病因中的重要作用。
參考文獻(xiàn):Nasr M, Fay A, Lupieri A, Malet N, Darmon A, Zahreddine R, Swiader A, Wahart A, Viaud J, Nègre-Salvayre A, Hirsch E, Monteyne D, Perez-Morgà D, Dupont N, Codogno P, Ramel D, Morel E, Laffargue M, Gayral S. PI3KCIIα-Dependent Autophagy Program Protects From Endothelial Dysfunction and Atherosclerosis in Response to Low Shear Stress in Mice. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2024 Mar;44(3):620-634. doi: 10.1161/ATVBAHA.123.319978. Epub 2023 Dec 28. PMID: 38152888.
原文鏈接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38152888/
IF:8.7
期刊ISSN 1079-5642
E-ISSN 1524-4636
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