PRDM16调控平滑肌细胞命运决定动脉粥样硬化斑块组成的新机制

《Nature Cardiovascular Research》：PRDM16 regulates smooth muscle cell identity and atherosclerotic plaque composition

本研究针对动脉粥样硬化中平滑肌细胞表型转换的调控机制这一关键科学问题，通过构建SMC特异性Prdm16基因敲除小鼠模型，结合单细胞转录组测序和染色质免疫沉淀等技术，发现PRDM16作为合成型SMC表型的关键转录抑制因子。该研究证实PRDM16缺失会促进合成型基因程序表达，导致纤维增生性斑块形成，而强制表达PRDM16则能抑制SMC迁移、增殖和纤维化过程。这些发现为理解动脉粥样硬化斑块稳定性调控提供了新视角，对心血管疾病的防治具有重要意义。

　　

在心血管疾病研究领域，动脉粥样硬化始终是导致全球死亡和疾病负担的主要原因。这种慢性炎症性疾病以动脉壁内脂质斑块积聚为特征，其中血管平滑肌细胞的表型转换现象日益受到关注。在病理刺激下，原本处于静止收缩状态的SMC会发生"表型调制"，获得多种细胞命运。特别是"合成型"SMC，以其迁移、增殖和细胞外基质产生能力为特征，在动脉粥样硬化病变中积累并参与纤维帽形成。然而，驱动这种合成型转换的分子机制尚不明确。

近期基因组关联研究结合患者动脉的单核染色质可及性分析，提名PRDM16作为冠状动脉疾病的候选驱动基因。PRDM16是一种表观遗传和转录调节因子，在脂肪细胞中研究较为深入，能驱动能量燃烧的代谢程序。但在SMC中，PRDM16的功能及其在动脉粥样硬化中的作用仍属未知。

在这项发表于《Nature Cardiovascular Research》的研究中，Josephine M.E. Tan等研究人员深入探讨了PRDM16在调控SMC身份和动脉粥样硬化中的关键作用。研究发现PRDM16在动脉SMC中高表达，而在小鼠和人类动脉粥样硬化过程中的SMC调制时下调。通过构建SMC特异性Prdm16敲除小鼠模型，研究人员发现无论是急性还是慢性缺失Prdm16，即使在稳态条件下也能激活SMC中的合成基因程序。

在动脉粥样硬化条件下，SMC特异性缺失Prdm16的小鼠形成了纤维性、胶原丰富的斑块，其特征是合成型SMC增殖增强和泡沫细胞含量减少。单细胞RNA测序分析显示，Prdm16缺失上调了所有SMC亚群中的合成基因，并促进了动脉粥样硬化期间合成调制细胞的出现。相反，在体外强制表达PRDM16能有效抑制迁移、增殖和纤维化等合成过程。机制上，PRDM16通过占据染色质并抑制合成基因位点的激活标记来实现这一调控作用。

研究采用的主要技术方法包括：基因工程小鼠模型构建（SMC特异性Prdm16敲除）、单细胞RNA测序分析、染色质免疫沉淀测序、免疫组织化学染色、动脉粥样硬化模型诱导（AAV8-PCSK9 D377Y结合西方饮食喂养）、细胞迁移和增殖实验等。人类样本分析涉及人类冠状动脉scRNA-seq数据集和snATAC-seq数据。

PRDM16在SMCs中表达丰富且在表型调制中下调

研究人员通过分析GTEx数据库发现PRDM16在人类动脉组织（包括主动脉、冠状动脉和胫动脉）中高表达。单细胞转录组分析显示PRDM16 mRNA在SMC中的表达水平比内皮细胞和成纤维细胞高10倍以上。在人类动脉粥样硬化病变中，晚期斑块的PRDM16表达显著降低，这些斑块富含调制的SMC。单细胞转录组分析进一步证实PRDM16在经典SMC（MYH11⁺、TAGLN⁺）中高表达，而在表达LUM和COLIA1的调制SMC中显著下降。

PRDM16在稳态条件下抑制SMC合成基因程序

为了研究PRDM16在SMC中的作用，研究人员构建了 constitutive SMC选择性Prdm16敲除小鼠（SMC-cKO）。RNA-seq分析显示，cKO小鼠主动脉中许多与肌成纤维细胞转换、纤维化和ECM重塑相关的基因（如Ankrd1、Col12a1、Mustn1等）表达上调。基因本体分析显示这些上调基因富集在与合成型SMC调制相关的通路中，包括"细胞迁移"、"细胞群体增殖调控"、"伤口反应"和"细胞外基质组织"。

单细胞RNA测序分析进一步证实，Prdm16缺失导致所有SMC亚型中合成标记基因（Ankrd1、Col14a1、Col4a6等）广泛且显著上调。即使在成年小鼠中急性删除Prdm16（SMC-iKO模型），也观察到了类似的基因表达变化，表明PRDM16在维持SMC收缩表型中起关键作用。

PRDM16缺失促进SMC丰富、纤维化动脉粥样硬化斑块的发展

在动脉粥样硬化条件下，SMC-cKO小鼠的病变表现出显著的形态学差异。对照小鼠的病变呈现典型的脂肪条纹形态，而cKO病变则极为致密、紊乱且缺乏脂质负载的泡沫细胞。天狼星红染色显示cKO病变中胶原沉积广泛，约占病变面积的55%，而对照组仅为15%。免疫荧光染色显示cKO斑块中含有更多数量和更广泛分布的SMC，但PLIN2标记的脂质包含细胞显著减少。

PRDM16抑制SMC合成过程和纤维化

在人类冠状动脉SMC中的功能获得性实验表明，PRDM16激活显著降低了伤口闭合率（约20%）和细胞增殖。更强的PRDM16诱导导致迁移减少约50%，并更有效地抑制合成行为。在成纤维细胞中，PRDM16能完全抑制基线合成基因表达，并几乎完全消除对TGFβ1的纤维化基因反应。

机制上，染色质免疫沉淀测序分析发现PRDM16在许多合成基因（如ANKRD1、SORBS1和DES）处存在结合峰，这些位点在PRDM16表达时显示H3K27-乙酰化水平降低，表明功能性抑制。在小鼠主动脉中进行的PRDM16 ChIP实验同样在许多合成基因处鉴定出结合位点。

本研究确立了PRDM16作为SMC身份的关键调节因子，其通过抑制合成型SMC基因程序来限制表型向合成和纤维化SMC状态的转换。PRDM16在动脉粥样硬化过程中的SMC调制中下调，其遗传缺失导致纤维增生性病变形成，富含合成型SMC而泡沫细胞减少。单细胞分析显示PRDM16在所有SMC群体中抑制合成基因表达，无论是在基线还是动脉粥样硬化条件下。

这些发现不仅揭示了PRDM16在动脉粥样硬化中的新功能，还为理解斑块组成调控机制提供了重要见解。研究表明，抑制PRDM16以增强合成型SMC活性和纤维帽发育，可能成为促进斑块稳定性、降低危及生命的动脉粥样硬化血栓事件风险的潜在策略。该研究为心血管疾病的治疗干预提供了新的分子靶点和理论依据。