Recent advances of mechanosensitive genes in vascular endothelial cells for the formation and treatment of atherosclerosis

Keywords: Atherosclerosis; Blood flow; Endothelial cell; Mechanosensitive gene; Therapeutic target.

動(dòng)脈粥樣硬化（AS）是一種由動(dòng)脈壁纖維脂肪病變形成的慢性血管疾病，在其發(fā)展過(guò)程中會(huì)引起許多并發(fā)癥，如心肌梗塞和中風(fēng)。AS的早期狀態(tài)特征是內(nèi)皮功能障礙，導(dǎo)致低密度脂蛋白（LDL）浸潤(rùn)至內(nèi)皮下層，伴有單核細(xì)胞募集和吞噬作用異常。從宏觀上看，易損斑塊（其特征是具有較大的壞死核心和薄纖維帽斑）形成和破裂，從而導(dǎo)致動(dòng)脈血栓形成（圖1）。

圖1 動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。（A）不同的因素導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生，包括高血糖或氧化應(yīng)激。（B）單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞對(duì)ox-LDL的吞噬作用是泡沫細(xì)胞的積累和沉積以及B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞的募集的結(jié)果。（C）脂質(zhì)條紋的形成，以及 SMCs 向損傷部位的增殖和遷移，產(chǎn)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即動(dòng)脈粥樣硬化斑塊。動(dòng)脈粥樣硬化斑塊部分阻塞血管腔，減少周?chē)�組織的血流量和氧氣/營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。（D）斑塊破裂激活血栓形成事件，完全阻塞血液循環(huán)，并可能導(dǎo)致中風(fēng)或心肌梗死。

大量研究表明，在AS的發(fā)展過(guò)程中，血流的變化、血管壁平滑肌細(xì)胞的表型分化、彈性纖維合成的變化都會(huì)影響血管內(nèi)皮細(xì)胞形成的生物力學(xué)特性，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊在湍流中比在層流（LF）中更容易形成。LF可以維持內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和內(nèi)皮細(xì)胞的AS-保護(hù)表型，而擾動(dòng)流（DF）可增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的促炎和氧化反應(yīng)。低和紊亂的剪切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮損傷和慢性炎癥。

探索血管細(xì)胞對(duì)機(jī)械力的反應(yīng)是了解一系列血管疾�。ㄈ鏏S）的重要組成部分。內(nèi)皮細(xì)胞作為機(jī)械感覺(jué)細(xì)胞，在AS的發(fā)生中起著重要的調(diào)節(jié)作用，但其通過(guò)解碼復(fù)雜的機(jī)械環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)生理和病理反應(yīng)的機(jī)制仍不清楚。最近，重慶大學(xué)生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院及陸軍特色醫(yī)學(xué)中心（大坪醫(yī)院）神經(jīng)外科的研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注了AS發(fā)生發(fā)展中的一些新關(guān)鍵基因，綜述了近兩年的最新研究，并總結(jié)了已知的AS相關(guān)基因靶向藥物，以期為AS靶向治療提供新的策略。詳細(xì)研究成果發(fā)表在 Genes & Diseases 期刊題為“Recent advances of mechanosensitive genes in vascular endothelial cells for the formation and treatment of atherosclerosis”。

AS 中的內(nèi)皮機(jī)械敏感基因

在AS的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，血管內(nèi)血流向內(nèi)壁細(xì)胞的機(jī)械刺激是影響AS的重要因素。Pro-AS剪切應(yīng)力（振蕩或湍流，非單向）和Anti-AS剪切應(yīng)力（穩(wěn)定或脈動(dòng)，單向LF）刺激活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的產(chǎn)生，參與血管內(nèi)皮細(xì)胞中基因表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
根據(jù)以往的研究，在 DF 下，可以通過(guò)刺激促進(jìn) AS 的機(jī)械敏感基因（如 YAP/TAZ、HIF-1α、NF-κB 和 JUN/FOS）的表達(dá)來(lái)增強(qiáng) AS 的發(fā)生和發(fā)展。在LF下，可以通過(guò)激活保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)定性和抑制對(duì)氧化應(yīng)激的炎癥反應(yīng)的機(jī)械敏感基因（如KLK10、NRP2、TFEB、KLF2/KLF4和NRF2）的表達(dá)來(lái)阻礙AS的發(fā)生和發(fā)展（圖2）。

圖2 動(dòng)脈粥樣硬化中的機(jī)械敏感基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

KLK10

KLK10 是激肽釋放酶相關(guān)肽酶“KLK”家族的成員，可以釋放到循環(huán)中，主要作為腫瘤抑制因子進(jìn)行研究。2022年的最新研究指出，s-flow KLK10的高表達(dá)可以抑制NF-κB、血管細(xì)胞粘附分子1（VCAM1）和細(xì)胞間粘附分子1（ICAM1）的表達(dá)，從而阻止單核細(xì)胞粘附。此外，s-flow KLK10的激活可以保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞的通透性屏障。因此，KLK10作為一種機(jī)械敏感基因，其活化表達(dá)可以抑制內(nèi)皮炎癥和內(nèi)皮屏障功能障礙，減少內(nèi)皮細(xì)胞和單核細(xì)胞的遷移和募集，而不影響正常的細(xì)胞凋亡和增殖。目前，關(guān)于該基因的研究成果較少，未來(lái)可以進(jìn)一步的深入研究。

CCN基因家族

CCN1 通過(guò)與不同的整合素結(jié)合并發(fā)揮作用來(lái)調(diào)控多種細(xì)胞過(guò)程，包括細(xì)胞粘附、遷移、分化、增殖、存活、凋亡和衰老。使用 CCN1^DM/DM /ApoE^−/− 小鼠模型，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，CCN1/α6β1 在體外和體內(nèi)參與轉(zhuǎn)錄因子（如NF-κB）的表達(dá)，NF-κB的激活進(jìn)一步增強(qiáng)了CCN1和整合素的表達(dá)，而α6β1是治療AS的新靶點(diǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)，抑制Wnt/β-catenin信號(hào)也會(huì)降低CCN1的表達(dá)，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞炎癥和細(xì)胞凋亡。此外，CCN1 通過(guò)損害巨噬細(xì)胞中 ATP 結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 A1/G1（ABCA1/G1）介導(dǎo)的膽固醇外排來(lái)促進(jìn)脂質(zhì)積累和泡沫細(xì)胞形成。在內(nèi)皮細(xì)胞中，CCN1調(diào)節(jié)膽固醇代謝，使ox-LDL進(jìn)入基質(zhì)。既往研究表明，血流紊亂上調(diào)CCN1和CCN2表達(dá)，單向LF降低CCN1和CCN2表達(dá)，同時(shí)增加CCN3表達(dá)。CCN3 的過(guò)表達(dá)與 AS 期間炎癥過(guò)程的控制和血脂異常的逆轉(zhuǎn)有關(guān)，表明 CCN3 可能是 AS 治療的潛在靶點(diǎn)。

NRP2

神經(jīng)纖毛蛋白2（NRP2）是 NRP 基因家族的成員，在神經(jīng)和血管組織中大量表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，NRP2基因可被層流剪切應(yīng)力（LSS）激活，上游轉(zhuǎn)錄因子GATA2在AS過(guò)程中可調(diào)控NRP2的表達(dá)。NRP2的缺失增加了血管通透性，從而加劇了炎癥過(guò)程中的炎性反應(yīng)和淋巴水腫，促進(jìn)人內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞的存活和遷移，以響應(yīng) VEGF-A 和 VEGF-C。此外，NRP2 可能與單核細(xì)胞表達(dá)的 α5 整合素相互作用，介導(dǎo)單核細(xì)胞對(duì)血管壁的粘附。NRP2在頸動(dòng)脈斑塊的淋巴細(xì)胞和外膜中均高度表達(dá)，促進(jìn)淋巴管生成和新生血管形成。這些結(jié)果表明，NRP2通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡在AS中發(fā)揮重要的促動(dòng)脈粥樣硬化作用，表明NRP2是治療動(dòng)脈粥樣硬化疾病的潛在治療靶點(diǎn)。

YAP 和 TAZ

研究證實(shí)，在LF長(zhǎng)期機(jī)械激活下，YAP/TAZ的轉(zhuǎn)錄活性受到抑制。相反，在湍流刺激下，YAP/TAZ的磷酸化水平降低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。YAP/TAZ 活性已被證明與促進(jìn) AS 的基因相關(guān)，敲除YAP和TAZ會(huì)降低小鼠AS發(fā)生的可能性和程度，而YAP/TAZ的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致AS在動(dòng)物模型中的發(fā)生和發(fā)展加劇。目前的研究表明，新型冠狀動(dòng)脈疾病風(fēng)險(xiǎn)基因（JCAD）可抑制YAP/TAZ通路的激活和下游pro-AS基因（包括CCN1）的表達(dá)。特別是，JCAD 通過(guò)與肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白 TRIOBP 相互作用來(lái)調(diào)節(jié) YAP/TAZ 激活以穩(wěn)定應(yīng)激纖維的形成，且在小鼠和人動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中內(nèi)皮 JCAD 表達(dá)增加。上述基因組蛋白質(zhì)組學(xué)和動(dòng)物模型研究數(shù)據(jù)表明，靶向YAP/TAZ的表達(dá)以及上下游基因分子和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的調(diào)控是AS的潛在治療方案。

HIF-1α

隨著AS斑塊的發(fā)展，病變區(qū)域（纖維帽下）處于缺氧環(huán)境中，缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）被進(jìn)一步激活，炎癥反應(yīng)加劇并導(dǎo)致血管增生，斑塊破裂速度加快。HIF-1α 激活影響 OCT4 等因子的表達(dá)，OCT4 的轉(zhuǎn)錄激活依賴于血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）中的 HIF-1α 和 KLF4。研究表明，在 ApoE−/− 小鼠VSMCs中條件敲除 OCT4 導(dǎo)致病變大小增加和病變成分變化，這與斑塊穩(wěn)定性降低一致。因此，HIF-1α 調(diào)節(jié) OCT4 對(duì) AS 的影響。此外，小鼠部分頸動(dòng)脈結(jié)扎模型表明，湍流上調(diào) HIF-1α、糖酵解酶和炎癥基因的表達(dá)并增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞增殖。在 ApoE −/− 小鼠中，HIF-1α的內(nèi)皮細(xì)胞特異性基因缺失抑制了部分結(jié)扎動(dòng)脈的炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞增殖，表明HIF-1α在低剪切應(yīng)力區(qū)域促進(jìn)炎癥和血管功能障礙。這些發(fā)現(xiàn)表明，HIF-1α基因不僅在AS的啟動(dòng)（通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)）中起關(guān)鍵作用，而且在AS的晚期階段（通過(guò)調(diào)節(jié)斑塊內(nèi)血管生成）中也起著關(guān)鍵作用。

NF-κB

NF-κB 是免疫、應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和分化的關(guān)鍵調(diào)控基因。NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)響應(yīng)湍流區(qū)域的機(jī)械激活，在ApoE−/− 小鼠或Ldlr−/− 小鼠模型中，脂多糖處理或高脂喂養(yǎng)后，NF-κB活化，NF-κB誘導(dǎo)的基因表達(dá)上調(diào)。高膽固醇環(huán)境下內(nèi)皮細(xì)胞中NF-κB表達(dá)被激活，抑制NF-κB可降低促炎、促粘附基因和單核細(xì)胞趨化蛋白的表達(dá)，從而減少巨噬細(xì)胞的募集，穩(wěn)定ApoE−/− 小鼠的AS斑塊。這種現(xiàn)象可能有助于將來(lái)使用 NF-κB/IκB 組分的高穩(wěn)態(tài)表達(dá)水平定位 AS 病變。

FOS 和 JUN

常見(jiàn)的異二聚體蛋白轉(zhuǎn)錄因子 AP-1 由 c-FOS 和 c-JUN 以及 JDP 和 ATP 家族的不同蛋白質(zhì)組成，參與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。研究表明，ERK/p38 活化是 AP-1/NF-κB 通路的重要前饋信號(hào)。在心血管疾病的動(dòng)物模型中，ox-LDL的初級(jí)積累激活ERK/p38信號(hào)通路并誘導(dǎo)其磷酸化，從而刺激AP-1/NF-κB通路。進(jìn)一步的研究表明，ox-LDL 的下調(diào)導(dǎo)致 AP-1 活性降低和 c-JUN N-末端激酶1/2（JNK 1/2）的磷酸化，這一過(guò)程阻止了炎癥通路的激活。最近的一項(xiàng)研究表明，隨著 AP-1 的上調(diào)，VSMCs 的增殖、遷移和 AS 斑塊形成加速。使用上游抑制劑會(huì)導(dǎo)致 AP-1 丟失并延緩 AS 的發(fā)生。結(jié)合多項(xiàng)研究的證據(jù)，AP-1已被確定為調(diào)節(jié)血管炎癥的重要樞紐。

TFEB

轉(zhuǎn)錄因子EB（TFEB）是是自噬-溶酶體生物發(fā)生的主調(diào)控因子。在血管炎癥模型小鼠中，TFEB的外源性過(guò)表達(dá)可以降低小鼠主動(dòng)脈血管炎癥水平和內(nèi)皮細(xì)胞趨化因子的表達(dá)。在內(nèi)皮細(xì)胞中的研究也發(fā)現(xiàn)NF-κB通路被TFEB抑制，從而抑制血管炎癥的發(fā)生，加重血管內(nèi)皮功能障礙。此外，TFEB參與心血管模型中脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。其表達(dá)水平與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和脂質(zhì)介質(zhì)呈正相關(guān)，TFEB敲除導(dǎo)致血管內(nèi)脂質(zhì)水平異常。一項(xiàng)具體證據(jù)表明，在預(yù)防 AS 發(fā)展的 LF 過(guò)程中，LF 水平的上調(diào)增加了 TFEB 蛋白豐度，并在一定程度上阻止了內(nèi)皮功能障礙和內(nèi)皮炎癥的發(fā)展。TFEB的上調(diào)降低了血管內(nèi)皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激程度和白細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞的募集，從而阻止了AS的發(fā)展。此外，TFEB的上調(diào)已被用作治療心血管疾病的臨床策略。

KLF2/KLF4

Krupel樣因子KLF2和 KLF4 是血管穩(wěn)態(tài)相關(guān)基因。據(jù)報(bào)道，KLF2 對(duì)于剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的細(xì)胞排列、纖維組裝以及 JNK 及其下游靶標(biāo) ATF2/c-Jun 至關(guān)重要。LF 介導(dǎo)的 AS 保護(hù)機(jī)制是絲裂原活化蛋白激酶激酶5（MEK5）-ERK5-KLF2 通路。體內(nèi)研究表明，KLF2 和 KLF4 共同調(diào)控多個(gè)基因以保護(hù)主動(dòng)脈免受 AS 的侵害。在ApoE−/− 和Ldlr−/− 小鼠敲除KLF2和KLF4基因后，加速了AS的發(fā)展，表明內(nèi)皮細(xì)胞中KLF2和KLF4的激活可能誘導(dǎo)AS保護(hù)，揭示了其是通過(guò)藥物干預(yù)預(yù)防AS的潛在治療靶點(diǎn)。

NRF2

核因子E2相關(guān)因子2（NRF2）是一種新興的細(xì)胞抗氧化調(diào)節(jié)基因。先前的研究表明，NRF2通過(guò)穩(wěn)定剪切應(yīng)力在調(diào)節(jié)抗氧化水平和抗AS方面發(fā)揮作用。脈沖層流剪切應(yīng)力（PLSS）誘導(dǎo)了粘附分子的表達(dá)，在NRF2-siRNA 處理的 HUVECs 和從 NRF2 敲除小鼠中分離出的動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中，趨化因子增強(qiáng)。因此，PLSS 通過(guò)激活 NRF2 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)抗氧化水平增加，從而在 AS 過(guò)程中維持內(nèi)皮細(xì)胞的狀態(tài)并防止 pro-AS 基因表達(dá)所需的過(guò)度 ROS/RNS 產(chǎn)生。LF 激活 NRF2 的表達(dá)，這對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞適應(yīng)氧化應(yīng)激和亞硝化應(yīng)激很重要。此外，KLF2 和 NRF2 可協(xié)同調(diào)節(jié) LF 誘導(dǎo)的內(nèi)皮基因表達(dá)。因此，了解NRF2基因活性和下游通路的調(diào)控對(duì)人類(lèi)健康具有重要意義。

ID1

分化抑制劑1（ID1），又稱(chēng)DNA結(jié)合抑制因子，屬于螺旋-環(huán)-螺旋（HLH）轉(zhuǎn)錄因子家族成員之一。ID1可能通過(guò)炎癥和血管生成影響動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，低振蕩剪切應(yīng)力（OSS）通過(guò)下調(diào)ID1的表達(dá)來(lái)促進(jìn)脂質(zhì)攝取。ID1 過(guò)表達(dá)和敲低實(shí)驗(yàn)表明，ID1 可以與甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（SREBP1）結(jié)合，調(diào)節(jié) LDLR 表達(dá)并影響脂質(zhì)攝取。當(dāng)暴露于ox-LDL時(shí)，ID1蛋白的表達(dá)和分布受剪切應(yīng)力和脂蛋白的調(diào)控，高剪切應(yīng)力促進(jìn)ID1表達(dá)和血管生成。最近的研究表明，使用含有人載脂蛋白E（rHDL-ApoE 3）的重組 HDL 形式可以激活 ID1 的過(guò)表達(dá)并隨后激活 MEK1/2 和 PI3K 及其下游靶點(diǎn) ERK1/2、AKT 和 p38 MAPK以改善體內(nèi)血管通透性。這些發(fā)現(xiàn)表明，ID1基因是AS發(fā)展的重要樞紐。

過(guò)去幾十年的研究概述了許多機(jī)械敏感基因調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的表型、功能和行為以響應(yīng)血流動(dòng)力學(xué)變化的生物學(xué)機(jī)制，但其中一些信號(hào)通路的作用仍不清楚。此外，新的機(jī)械敏感基因不斷被發(fā)現(xiàn)，針對(duì)這些新的機(jī)械敏感基因的療法也在不斷更新。因此，有必要鑒定和闡明更多對(duì)內(nèi)皮力學(xué)敏感的基因。雖然有研究提出了某些內(nèi)皮機(jī)械敏感基因的抑制劑或激活劑，但近兩年來(lái)，隨著相關(guān)研究的深入，發(fā)現(xiàn)了更多針對(duì)相應(yīng)基因的靶向抑制劑或激活劑（圖3）。

圖3 剪切應(yīng)力信號(hào)在調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞炎癥和氧化應(yīng)激中的作用。炎癥和氧化應(yīng)激是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展中最重要的病理生理過(guò)程。LSS增加，而OSS抑制許多抗炎和抗氧化轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，如KLF2/4、NRF2和TFEB等。激活其中一些基因已被證明對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化有明顯的有益作用。相比之下，OSS誘導(dǎo)促炎和促氧化應(yīng)激基因的表達(dá)，如YAP/TAZ、HIF-1α和NLRP3。拮抗這些有害信號(hào)也可能通過(guò)改善內(nèi)皮功能、減少低密度脂蛋白浸潤(rùn)和氧化以及抑制內(nèi)皮-單核細(xì)胞粘附來(lái)緩解動(dòng)脈粥樣硬化。

最后，該綜述指出，AS的進(jìn)一步研究可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行：（i）進(jìn)一步明確力調(diào)節(jié)因子在動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病中的調(diào)控機(jī)制；（ii）通過(guò)新技術(shù)和新分析方法篩選新的機(jī)械調(diào)控基因；（iii）利用已知的高通量藥物篩選機(jī)械敏感基因來(lái)識(shí)別新藥物。總之，未來(lái)必須推動(dòng)細(xì)胞生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、藥理學(xué)、功能基因組學(xué)等多學(xué)科研究，以找到早期精準(zhǔn)治療AS的策略。

參考文獻(xiàn)：Li S, Xu Z, Wang Y, Chen L, Wang X, Zhou Y, Lei D, Zang G, Wang G. Recent advances of mechanosensitive genes in vascular endothelial cells for the formation and treatment of atherosclerosis. Genes Dis. 2023 Jul 17;11(3):101046. doi: 10.1016/j.gendis.2023.06.016. PMID: 38292174; PMCID: PMC10825297.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38292174/
Impact Factor 6.9
Online ISSN: 2352-3042
Print ISSN: 2352-4820

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