血管内皮细胞机械敏感基因在动脉粥样硬化形成和治疗中的研究进展

血管内皮细胞机械敏感基因在动脉粥样硬化形成和治疗中的研究进展

动脉粥样硬化（AS）是一种由动脉壁纤维脂肪病变形成的慢性血管疾病，是心血管疾病的主要病因之一。近年来，随着对血管内皮细胞机械敏感基因研究的深入，科学家们发现这些基因在动脉粥样硬化的发生发展过程中发挥着重要作用。本文综述了近年来关于机械敏感基因在动脉粥样硬化中的研究进展，探讨了这些基因在疾病发生发展中的调控网络，并提出了新的治疗策略。

动脉粥样硬化（AS）是一种由动脉壁纤维脂肪病变形成的慢性血管疾病，在其发展过程中会引起许多并发症，如心肌梗塞和中风。AS的早期状态特征是内皮功能障碍，导致低密度脂蛋白（LDL）浸润至内皮下层，伴有单核细胞募集和吞噬作用异常。从宏观上看，易损斑块（其特征是具有较大的坏死核心和薄纤维帽斑）形成和破裂，从而导致动脉血栓形成（图1）。

图1 动脉粥样硬化进展。（A）不同的因素导致动脉粥样硬化的发生，包括高血糖或氧化应激。（B）单核细胞/巨噬细胞对ox-LDL的吞噬作用是泡沫细胞的积累和沉积以及B淋巴细胞和T淋巴细胞的募集的结果。（C）脂质条纹的形成，以及 SMCs 向损伤部位的增殖和迁移，产生复杂的结构，即动脉粥样硬化斑块。动脉粥样硬化斑块部分阻塞血管腔，减少周围组织的血流量和氧气/营养供应。（D）斑块破裂激活血栓形成事件，完全阻塞血液循环，并可能导致中风或心肌梗死。

大量研究表明，在AS的发展过程中，血流的变化、血管壁平滑肌细胞的表型分化、弹性纤维合成的变化都会影响血管内皮细胞形成的生物力学特性，从而导致内皮细胞功能障碍。一般来说，动脉粥样硬化斑块在湍流中比在层流（LF）中更容易形成。LF可以维持内皮细胞稳态和内皮细胞的AS-保护表型，而扰动流（DF）可增强内皮细胞的促炎和氧化反应。低和紊乱的剪切应力会导致内皮损伤和慢性炎症。

探索血管细胞对机械力的反应是了解一系列血管疾病（如AS）的重要组成部分。内皮细胞作为机械感觉细胞，在AS的发生中起着重要的调节作用，但其通过解码复杂的机械环境来调节生理和病理反应的机制仍不清楚。最近，重庆大学生物流变科学与技术教育部重点实验室、重庆医科大学基础医学院及陆军特色医学中心（大坪医院）神经外科的研究团队重点关注了AS发生发展中的一些新关键基因，综述了近两年的最新研究，并总结了已知的AS相关基因靶向药物，以期为AS靶向治疗提供新的策略。详细研究成果发表在 Genes & Diseases 期刊题为“Recent advances of mechanosensitive genes in vascular endothelial cells for the formation and treatment of atherosclerosis”。

AS 中的内皮机械敏感基因

在AS的发生发展过程中，血管内血流向内壁细胞的机械刺激是影响AS的重要因素。Pro-AS剪切应力（振荡或湍流，非单向）和Anti-AS剪切应力（稳定或脉动，单向LF）刺激活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的产生，参与血管内皮细胞中基因表达的信号转导。

根据以往的研究，在 DF 下，可以通过刺激促进 AS 的机械敏感基因（如 YAP/TAZ、HIF-1α、NF-κB 和 JUN/FOS）的表达来增强 AS 的发生和发展。在LF下，可以通过激活保护血管内皮细胞稳定性和抑制对氧化应激的炎症反应的机械敏感基因（如KLK10、NRP2、TFEB、KLF2/KLF4和NRF2）的表达来阻碍AS的发生和发展（图2）。

图2 动脉粥样硬化中的机械敏感基因调控网络。

KLK10

KLK10 是激肽释放酶相关肽酶“KLK”家族的成员，可以释放到循环中，主要作为肿瘤抑制因子进行研究。2022年的最新研究指出，s-flow KLK10的高表达可以抑制NF-κB、血管细胞粘附分子1（VCAM1）和细胞间粘附分子1（ICAM1）的表达，从而阻止单核细胞粘附。此外，s-flow KLK10的激活可以保护内皮细胞的通透性屏障。因此，KLK10作为一种机械敏感基因，其活化表达可以抑制内皮炎症和内皮屏障功能障碍，减少内皮细胞和单核细胞的迁移和募集，而不影响正常的细胞凋亡和增殖。目前，关于该基因的研究成果较少，未来可以进一步的深入研究。

CCN基因家族

CCN1 通过与不同的整合素结合并发挥作用来调控多种细胞过程，包括细胞粘附、迁移、分化、增殖、存活、凋亡和衰老。使用 CCN1DM/DM/ApoE−/−小鼠模型，一些研究人员发现，CCN1/α6β1 在体外和体内参与转录因子（如NF-κB）的表达，NF-κB的激活进一步增强了CCN1和整合素的表达，而α6β1是治疗AS的新靶点。研究还发现，抑制Wnt/β-catenin信号也会降低CCN1的表达，从而导致内皮细胞炎症和细胞凋亡。此外，CCN1 通过损害巨噬细胞中 ATP 结合盒转运蛋白 A1/G1（ABCA1/G1）介导的胆固醇外排来促进脂质积累和泡沫细胞形成。在内皮细胞中，CCN1调节胆固醇代谢，使ox-LDL进入基质。既往研究表明，血流紊乱上调CCN1和CCN2表达，单向LF降低CCN1和CCN2表达，同时增加CCN3表达。CCN3 的过表达与 AS 期间炎症过程的控制和血脂异常的逆转有关，表明 CCN3 可能是 AS 治疗的潜在靶点。

NRP2

神经纤毛蛋白2（NRP2）是 NRP 基因家族的成员，在神经和血管组织中大量表达。研究发现，NRP2基因可被层流剪切应力（LSS）激活，上游转录因子GATA2在AS过程中可调控NRP2的表达。NRP2的缺失增加了血管通透性，从而加剧了炎症过程中的炎性反应和淋巴水肿，促进人内皮和平滑肌细胞的存活和迁移，以响应 VEGF-A 和 VEGF-C。此外，NRP2 可能与单核细胞表达的 α5 整合素相互作用，介导单核细胞对血管壁的粘附。NRP2在颈动脉斑块的淋巴细胞和外膜中均高度表达，促进淋巴管生成和新生血管形成。这些结果表明，NRP2通过调节细胞凋亡在AS中发挥重要的促动脉粥样硬化作用，表明NRP2是治疗动脉粥样硬化疾病的潜在治疗靶点。

YAP 和 TAZ

研究证实，在LF长期机械激活下，YAP/TAZ的转录活性受到抑制。相反，在湍流刺激下，YAP/TAZ的磷酸化水平降低，从而导致转录活性增强。YAP/TAZ 活性已被证明与促进 AS 的基因相关，敲除YAP和TAZ会降低小鼠AS发生的可能性和程度，而YAP/TAZ的过表达会导致AS在动物模型中的发生和发展加剧。目前的研究表明，新型冠状动脉疾病风险基因（JCAD）可抑制YAP/TAZ通路的激活和下游pro-AS基因（包括CCN1）的表达。特别是，JCAD 通过与肌动蛋白结合蛋白 TRIOBP 相互作用来调节 YAP/TAZ 激活以稳定应激纤维的形成，且在小鼠和人动脉粥样硬化斑块中内皮 JCAD 表达增加。上述基因组蛋白质组学和动物模型研究数据表明，靶向YAP/TAZ的表达以及上下游基因分子和转录产物的调控是AS的潜在治疗方案。

HIF-1α

随着AS斑块的发展，病变区域（纤维帽下）处于缺氧环境中，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）被进一步激活，炎症反应加剧并导致血管增生，斑块破裂速度加快。HIF-1α 激活影响 OCT4 等因子的表达，OCT4 的转录激活依赖于血管平滑肌细胞（VSMCs）中的 HIF-1α 和 KLF4。研究表明，在 ApoE−/− 小鼠VSMCs中条件敲除 OCT4 导致病变大小增加和病变成分变化，这与斑块稳定性降低一致。因此，HIF-1α 调节 OCT4 对 AS 的影响。此外，小鼠部分颈动脉结扎模型表明，湍流上调 HIF-1α、糖酵解酶和炎症基因的表达并增强内皮细胞增殖。在 ApoE −/− 小鼠中，HIF-1α的内皮细胞特异性基因缺失抑制了部分结扎动脉的炎症和内皮细胞增殖，表明HIF-1α在低剪切应力区域促进炎症和血管功能障碍。这些发现表明，HIF-1α基因不仅在AS的启动（通过调节炎症反应）中起关键作用，而且在AS的晚期阶段（通过调节斑块内血管生成）中也起着关键作用。

NF-κB

NF-κB 是免疫、应激反应、细胞凋亡和分化的关键调控基因。NF-κB 信号转导响应湍流区域的机械激活，在ApoE−/− 小鼠或Ldlr−/− 小鼠模型中，脂多糖处理或高脂喂养后，NF-κB活化，NF-κB诱导的基因表达上调。高胆固醇环境下内皮细胞中NF-κB表达被激活，抑制NF-κB可降低促炎、促粘附基因和单核细胞趋化蛋白的表达，从而减少巨噬细胞的募集，稳定ApoE−/− 小鼠的AS斑块。这种现象可能有助于将来使用 NF-κB/IκB 组分的高稳态表达水平定位 AS 病变。

FOS 和 JUN

常见的异二聚体蛋白转录因子 AP-1 由 c-FOS 和 c-JUN 以及 JDP 和 ATP 家族的不同蛋白质组成，参与基因表达的调节。研究表明，ERK/p38 活化是 AP-1/NF-κB 通路的重要前馈信号。在心血管疾病的动物模型中，ox-LDL的初级积累激活ERK/p38信号通路并诱导其磷酸化，从而刺激AP-1/NF-κB通路。进一步的研究表明，ox-LDL 的下调导致 AP-1 活性降低和 c-JUN N-末端激酶1/2（JNK 1/2）的磷酸化，这一过程阻止了炎症通路的激活。最近的一项研究表明，随着 AP-1 的上调，VSMCs 的增殖、迁移和 AS 斑块形成加速。使用上游抑制剂会导致 AP-1 丢失并延缓 AS 的发生。结合多项研究的证据，AP-1已被确定为调节血管炎症的重要枢纽。

TFEB

转录因子EB（TFEB）是是自噬-溶酶体生物发生的主调控因子。在血管炎症模型小鼠中，TFEB的外源性过表达可以降低小鼠主动脉血管炎症水平和内皮细胞趋化因子的表达。在内皮细胞中的研究也发现NF-κB通路被TFEB抑制，从而抑制血管炎症的发生，加重血管内皮功能障碍。此外，TFEB参与心血管模型中脂质稳态的调节。其表达水平与脂质转运蛋白和脂质介质呈正相关，TFEB敲除导致血管内脂质水平异常。一项具体证据表明，在预防 AS 发展的 LF 过程中，LF 水平的上调增加了 TFEB 蛋白丰度，并在一定程度上阻止了内皮功能障碍和内皮炎症的发展。TFEB的上调降低了血管内皮细胞的氧化应激程度和白细胞向内皮细胞的募集，从而阻止了AS的发展。此外，TFEB的上调已被用作治疗心血管疾病的临床策略。

KLF2/KLF4

Krupel样因子KLF2和 KLF4 是血管稳态相关基因。据报道，KLF2 对于剪切应力诱导的细胞排列、纤维组装以及 JNK 及其下游靶标 ATF2/c-Jun 至关重要。LF 介导的 AS 保护机制是丝裂原活化蛋白激酶激酶5（MEK5）-ERK5-KLF2 通路。体内研究表明，KLF2 和 KLF4 共同调控多个基因以保护主动脉免受 AS 的侵害。在ApoE−/− 和Ldlr−/− 小鼠敲除KLF2和KLF4基因后，加速了AS的发展，表明内皮细胞中KLF2和KLF4的激活可能诱导AS保护，揭示了其是通过药物干预预防AS的潜在治疗靶点。

NRF2

核因子E2相关因子2（NRF2）是一种新兴的细胞抗氧化调节基因。先前的研究表明，NRF2通过稳定剪切应力在调节抗氧化水平和抗AS方面发挥作用。脉冲层流剪切应力（PLSS）诱导了粘附分子的表达，在NRF2-siRNA 处理的 HUVECs 和从 NRF2 敲除小鼠中分离出的动脉内皮细胞中，趋化因子增强。因此，PLSS 通过激活 NRF2 导致细胞内抗氧化水平增加，从而在 AS 过程中维持内皮细胞的状态并防止 pro-AS 基因表达所需的过度 ROS/RNS 产生。LF 激活 NRF2 的表达，这对内皮细胞适应氧化应激和亚硝化应激很重要。此外，KLF2 和 NRF2 可协同调节 LF 诱导的内皮基因表达。因此，了解NRF2基因活性和下游通路的调控对人类健康具有重要意义。

ID1

分化抑制剂1（ID1），又称DNA结合抑制因子，属于螺旋-环-螺旋（HLH）转录因子家族成员之一。ID1可能通过炎症和血管生成影响动脉粥样硬化斑块的稳定性。研究发现，低振荡剪切应力（OSS）通过下调ID1的表达来促进脂质摄取。ID1 过表达和敲低实验表明，ID1 可以与甾醇调节元件结合蛋白1（SREBP1）结合，调节 LDLR 表达并影响脂质摄取。当暴露于ox-LDL时，ID1蛋白的表达和分布受剪切应力和脂蛋白的调控，高剪切应力促进ID1表达和血管生成。最近的研究表明，使用含有人载脂蛋白E（rHDL-ApoE 3）的重组 HDL 形式可以激活 ID1 的过表达并随后激活 MEK1/2 和 PI3K 及其下游靶点 ERK1/2、AKT 和 p38 MAPK以改善体内血管通透性。这些发现表明，ID1基因是AS发展的重要枢纽。

过去几十年的研究概述了许多机械敏感基因调节内皮细胞的表型、功能和行为以响应血流动力学变化的生物学机制，但其中一些信号通路的作用仍不清楚。此外，新的机械敏感基因不断被发现，针对这些新的机械敏感基因的疗法也在不断更新。因此，有必要鉴定和阐明更多对内皮力学敏感的基因。虽然有研究提出了某些内皮机械敏感基因的抑制剂或激活剂，但近两年来，随着相关研究的深入，发现了更多针对相应基因的靶向抑制剂或激活剂（图3）。

图3 剪切应力信号在调节内皮细胞炎症和氧化应激中的作用。炎症和氧化应激是动脉粥样硬化发展中最重要的病理生理过程。LSS增加，而OSS抑制许多抗炎和抗氧化转录因子的表达，如KLF2/4、NRF2和TFEB等。激活其中一些基因已被证明对动脉粥样硬化有明显的有益作用。相比之下，OSS诱导促炎和促氧化应激基因的表达，如YAP/TAZ、HIF-1α和NLRP3。拮抗这些有害信号也可能通过改善内皮功能、减少低密度脂蛋白浸润和氧化以及抑制内皮-单核细胞粘附来缓解动脉粥样硬化。

最后，该综述指出，AS的进一步研究可以从以下三个方面进行：（i）进一步明确力调节因子在动脉粥样硬化性心血管疾病中的调控机制；（ii）通过新技术和新分析方法筛选新的机械调控基因；（iii）利用已知的高通量药物筛选机械敏感基因来识别新药物。总之，未来必须推动细胞生理学、生物医学工程、药理学、功能基因组学等多学科研究，以找到早期精准治疗AS的策略。

本文原文来自《Genes & Diseases》期刊