MAT2A介导巨噬细胞表观遗传重编程促进动脉粥样硬化斑块易损性的机制与干预研究

《Nature Communications》：MAT2A promotes atherosclerotic plaque vulnerability by mediating epigenetic reprogramming of macrophages

本研究针对动脉粥样硬化斑块易损性这一临床难题，发现甲硫氨酸代谢关键酶MAT2A通过调控组蛋白H3K4me3修饰，驱动巨噬细胞炎症和迁移能力，从而促进斑块进展。研究人员通过多组学分析、基因敲除模型和药物干预，证实抑制MAT2A或限制甲硫氨酸饮食可显著减轻动脉粥样硬化，揭示了神经-免疫-代谢轴在心血管疾病中的新机制。

　　

在心血管疾病领域，动脉粥样硬化始终是全球范围内的主要健康威胁。尽管他汀类药物在降低血脂方面取得显著成效，但斑块破裂导致的急性心血管事件仍然是临床面临的严峻挑战。近年来，CANTOS、COLCOT和LoDoCo2等里程碑式临床试验证实，靶向炎症是预防心血管事件的新策略，凸显了免疫代谢调控在动脉粥样硬化中的核心地位。

动脉粥样硬化本质上是一种慢性炎症性疾病，其中单核/巨噬细胞扮演着关键角色。这些免疫细胞在动脉壁内表现出惊人的可塑性，能够根据微环境信号改变其功能和代谢状态。特别是代谢重编程，已成为调控巨噬细胞炎症活性的核心机制。在众多代谢途径中，甲硫氨酸代谢因其能够驱动表观遗传重编程而备受关注，它为炎症巨噬细胞提供了动态的生物化学基础。

然而，甲硫氨酸代谢如何精确调控动脉粥样硬化中单核/巨噬细胞的功能，特别是影响斑块易损性的具体机制，至今仍不明确。为了解决这一科学问题，哈尔滨医科大学附属第二医院心血管内科杜卓、万萍萍等研究人员在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。

研究人员首先通过临床队列研究发现了重要线索。他们对387例接受全冠状动脉光学相干断层扫描(OCT)评估的稳定型冠心病患者进行分析，发现26.4%的患者存在薄帽纤维粥样硬化(TCFA)，即易损斑块。通过匹配年龄、性别和传统危险因素后，他们对38对患者的外周血单核细胞进行非靶向代谢组学分析，结果显示TCFA阳性患者的甲硫氨酸代谢通路显著富集。进一步靶向质谱分析证实，TCFA患者单核细胞中的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)/S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)比值（即"甲基化指数"）明显升高，且高水平SAM/SAH是TCFA存在的独立预测因子。

机制探索表明，甲硫氨酸腺苷转移酶IIα(MAT2A)是这一过程的关键调控因子。MAT2A在TCFA患者单核细胞中表达最高，单细胞RNA测序分析显示MAT2A主要在动脉粥样硬化斑块中的髓系细胞表达，尤其在症状性患者的促炎性单核/巨噬细胞中表达最高。

为了验证MAT2A的功能，研究人员构建了髓系特异性MAT2A基因敲除的ApoE^-/-小鼠(MAT2A^cKOApoE^-/-)。结果显示，MAT2A缺失显著减轻了动脉粥样硬化病变，降低了斑块易损性指数。机制上，MAT2A缺失导致细胞内SAM库耗竭，显著降低了组蛋白H3K4三甲基化(H3K4me3)水平，而对H3K27me3和H3K36me3影响较小。CUT&Tag分析结合RNA测序数据表明，MAT2A缺失导致206个下调基因的H3K4me3修饰减少，这些基因富集于炎症反应和迁移功能相关通路，包括Aim2、Ccl2和Mmp9等关键基因。

从MAT2A°ApoE-小鼠中提取的样本显示出斑块易损性改善的迹象，与MAT2A/ApoE-/-小鼠相比，其特征是面积减小、坏死核心降低，但胶原含量更高。对主动脉组成的更详细评估显示，MAT2ACK0ApoE/小鼠中CD68+巨噬细胞的浸润减少，并且易损性指数显著降低。两组基因型之间在体重或血清脂质谱方面未观察到显著差异。此外，我们向小鼠注射了表达MAT2A的腺相关病毒，发现它加剧了动脉粥样硬化的进展。

在治疗策略探索中，研究人员发现MAT2A抑制剂FIDAS-5处理或甲硫氨酸限制饮食(MRD)都能显著减轻ApoE^-/-小鼠的动脉粥样硬化病变，降低斑块易损性。重要的是，MRD对MAT2A^cKOApoE^-/-小鼠的动脉粥样硬化进展没有影响，表明饮食甲硫氨酸限制的保护作用依赖于MAT2A。

研究还发现，去甲肾上腺素-MTOR-c-MYC信号轴是调控MAT2A表达的上游机制。TCFA患者血清去甲肾上腺素水平显著升高，且与单核细胞SAM/SAH比值呈正相关。机制上，去甲肾上腺素通过激活mTOR-c-MYC轴转录上调MAT2A表达。

在包含200名患者的验证队列中，研究人员证实SAM/SAH比值和去甲肾上腺素水平与TCFA存在独立相关，两者组合对TCFA的预测价值优于单一指标。5年随访数据显示，高水平SAM/SAH和去甲肾上腺素患者的主要不良心血管事件(MACE)发生率最高。

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于全冠状动脉OCT成像的斑块易损性临床评估、非靶向和靶向代谢组学分析、单细胞RNA测序、髓系特异性基因敲除动物模型、CUT&Tag表观基因组分析、体外巨噬细胞功能实验以及药物和饮食干预研究。

MAT2A通过H3K4me3驱动巨噬细胞活化

研究发现MAT2A介导的甲硫氨酸代谢通过调控组蛋白甲基化修饰影响巨噬细胞功能。免疫印迹分析显示，MAT2A缺失导致细胞内SAM库耗竭，引起H3K4me3显著降低，H3K36me3适度减少，而H3K27me3无变化。

在主动脉根部斑块中，MAT2A^cKOApoE^-/-小鼠巨噬细胞相关核中H3K4me3阳性染色的比例同样降低。为了识别动脉粥样硬化进展中参与组蛋白甲基化的靶基因，研究人员从MAT2A^cKO和MAT2A^fl/fl小鼠中分离BMDMs，并使用抗H3K4me3抗体进行CUT&Tag分析。主成分分析显示基于结合峰清晰分离。

研究人员观察到MAT2A缺陷条件下H3K4me3结合的差异，数据显示H3K4me3主要富集在启动子区域。数据还显示H3K4me3在基因转录起始位点上下游2kb内富集。通过整合CUT&Tag和RNA-seq数据，研究人员发现206个下调基因的H3K4me3修饰减少。这些基因富集于炎症反应和迁移功能相关通路。同时，研究人员观察到MAT2A缺失后Il1b启动子处的H3K4me3修饰减少。此外，在这些下调基因中，Aim2、Ccl2和Mmp9基于基因组快照显示具有显著的H3K4me3修饰。

MAT2A缺失导致的Aim2、Ccl2和Mmp9启动子区域H3K4me3富集减少可被SAM补充部分挽救。这些蛋白分泌到细胞上清中的减少也可被SAM补充恢复。此外，在MAT2A^cKOApoE^-/-小鼠和TCFA阴性患者中，这些蛋白的血清浓度较低。

MAT2A抑制和甲硫氨酸饮食干预改善动脉粥样硬化

为评估靶向MAT2A介导的甲硫氨酸代谢在动脉粥样硬化中的治疗潜力，研究人员对ApoE^-/-小鼠使用了MAT2A抑制剂FIDAS-5。发现FIDAS-5治疗显著抑制了单核细胞甲硫氨酸代谢。

值得注意的是，FIDAS-5减少了整个主动脉和主动脉根部的动脉粥样硬化病变面积。在主动脉根部，斑块面积和坏死核心比例有效降低，而斑块中胶原含量增加。此外，FIDAS-5条件下CD68+巨噬细胞含量和斑块易损性指数降低。FIDAS-5给药还下调了H3K4me3水平，并降低了外周血单核细胞中Aim2、Ccl2和Mmp9的转录。

作为必需氨基酸，甲硫氨酸主要来源于膳食摄入，可通过饮食模式调节。为确定饮食甲硫氨酸干预对抗动脉粥样硬化的功效，ApoE^-/-小鼠在HFD启动后喂食甲硫氨酸限制或对照饮食。正如预期的那样，MRD降低了外周血单核细胞中的甲硫氨酸代谢。

主动脉弓显示MRD小鼠斑块负荷减少。同时，MRD使整个主动脉和主动脉窦的动脉粥样硬化病变减少。对主动脉根部病变的后续分析显示，动脉粥样硬化斑块和坏死核心区域减少，而MRD喂养增加了胶原含量。免疫组化染色显示MRD减弱了CD68+巨噬细胞积累并降低了斑块易损性。MRD组骨髓和外周血单核细胞向Ly6C^hi单核细胞分化的趋势降低。此外，研究人员证明MRD小鼠外周血单核细胞中H3K4me3水平以及Aim2、Ccl2和Mmp9表达也降低。相比之下，MRD不影响体重、血清胆固醇和脂蛋白水平。有趣的是，MRD不改变MAT2A ApoE^-/-小鼠的动脉粥样硬化进展，表明饮食甲硫氨酸限制的抗动脉粥样硬化作用依赖于MAT2A。

去甲肾上腺素通过mTOR-c-MYC轴诱导MAT2A表达

交感神经激活促进动脉粥样硬化患者中去甲肾上腺素的释放，这与慢性应激状态有关。去甲肾上腺素-cAMP轴增加MAT2A活性，可能伴随SAM产生增加。值得注意的是，研究人员测量了血清去甲肾上腺素浓度，得出结论TCFA阳性患者去甲肾上腺素水平显著升高。

为评估去甲肾上腺素是否与动脉粥样硬化中MAT2A上调和MAT2A介导的甲硫氨酸代谢相关，研究人员进行了整合分析，证实血清去甲肾上腺素水平与单核细胞SAM/SAH比值相关。此外，同时具有高SAM/SAH比值和高去甲肾上腺素水平的患者TCFA发生率最高，而两者均低的患者发生率最低。

随后，研究人员评估了去甲肾上腺素在动脉粥样硬化期间调控MAT2A介导的甲硫氨酸代谢中的作用。研究人员证实血清去甲肾上腺素水平在动脉粥样硬化发展过程中显著升高。研究人员进一步给予6-羟基多巴胺(6-OHDA)以耗竭ApoE小鼠中的去甲肾上腺素，发现单核细胞MAT2A表达和甲硫氨酸代谢显著降低。

雷帕霉素机制性靶点(mTOR)是代谢平衡和巨噬细胞命运的关键调节因子，被神经递质摄取激活。通过比较来自经或未经6-OHDA处理的HFD喂养ApoE小鼠主动脉中mTOR水平，研究人员发现6-OHDA抑制mTOR和S6的磷酸化。为识别调控MAT2A的mTOR依赖性转录因子，研究人员筛选了候选因子，发现c-MYC缺失特异性降低Mat2a表达。一致地，c-MYC在6-OHDA条件下下调。在c-MYC缺陷的BMDMs中，由生理mTOR通路激活驱动的胰岛素诱导的MAT2A表达增加被废除，证明MAT2A对mTOR-c-MYC轴的转录依赖性。此外，去甲肾上腺素促进Mat2a表达，而这种效应被雷帕霉素(RAPA)的mTOR抑制阻断。而且，c-MYC缺失降低MAT2A水平，而MAT2A沉默不诱导c-MYC下调，证明c-MYC控制MAT2A表达的转录调控潜力。CHIP-qPCR进一步表明c-MYC与MAT2A结合，并且这种相互作用被RAPA处理阻止。此外，通过普萘洛尔给药或ADRB2遗传缺陷靶向去甲肾上腺素受体的干预一致降低动脉粥样硬化进展过程中的MAT2A表达和下游分子。

研究结论与意义

本研究系统阐明了MAT2A介导的甲硫氨酸代谢在动脉粥样硬化中的关键作用及其机制。研究发现MAT2A通过调控H3K4me3表观遗传修饰，驱动巨噬细胞的炎症和迁移程序，从而促进动脉粥样硬化斑块进展和易损性。去甲肾上腺素-mTOR-c-MYC轴作为上游信号通路调控MAT2A表达，将神经应激与免疫代谢联系起来。

这项研究的创新性在于首次揭示了MAT2A-H3K4me3轴在动脉粥样硬化中的核心作用，提出了神经-免疫-代谢调控网络的新概念。研究不仅阐明了基础机制，还验证了MAT2A抑制剂FIDAS-5和甲硫氨酸限制饮食的治疗潜力，为动脉粥样硬化的防治提供了新的靶点和策略。

值得注意的是，研究明确了MAT2A的促动脉粥样硬化作用不依赖于同型半胱氨酸(Hcy)，这解释了以往关于同型半胱氨酸与动脉粥样硬化关系研究的矛盾结果，为甲硫氨酸代谢研究提供了新视角。

从临床转化角度，研究发现SAM/SAH比值和去甲肾上腺素水平的组合对斑块易损性和长期不良心血管事件具有预测价值，这为心血管风险评估提供了新的生物标志物组合。

总之，这项研究深化了我们对免疫代谢与动脉粥样硬化关系的理解，为开发针对MAT2A的精准治疗策略奠定了理论基础，对心血管疾病的防治具有重要科学意义和临床价值。