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幹細胞多能性遺伝子Klf4とOct4は、末期の動脈硬化性病変の発症に重要な複雑なSMC表現型の変化を制御している
The Stem Cell Pluripotency Genes Klf4 and Oct4 Regulate Complex SMC Phenotypic Changes Critical in Late-Stage Atherosclerotic Lesion Pathogenesis.
PMID: 32674599 DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.120.046672.
抄録
心筋梗塞や脳卒中を伴う進行性動脈硬化性病変の破裂や浸食は、世界的な死因の第一位となっています。しかし、後期の動脈硬化性病変を構成する多くの細胞の同一性、起源、機能、およびそれらがプラークの安定性を制御するメカニズムについては、非常に限られた理解しかありません。 我々は、進行したヒト頸動脈内膜切除術サンプルの包括的な単一細胞RNA-seqを実施し、平滑筋細胞（SMC）と内皮の系統を追跡したマウスの微小解剖された進行性動脈硬化性病変のscRNA-seqと比較して、すべてのプラーク細胞タイプを調査し、それらの起源を厳密に決定した。さらに、ChIP-seq、バルクRNA-seq、革新的な二系統トレーシングマウスを用いて、SMCの表現型の変化が病変の発症に影響を与えるメカニズムを解明した。 その結果、SMC特異的なKlf4-ノックアウトマウスとOct4-ノックアウトマウスでは、ゲノム上の特徴がほぼ逆であり、標的遺伝子がSMCの表現型変化を制御する重要な役割を果たしていることが明らかになった。特に、SMCは、軟骨細胞様の遺伝子シグネチャを持つMyh11, Lgals3集団に寄与しており、これはSMC-ノックアウトにより著しく減少した。我々は、Lgals3を活性化するSMCが病変部の全SMCの2/3を占めることを観察した。しかし、これらの細胞におけるLgals3の初期活性化は、末期分化状態への転換を意味するものではなく、むしろ、これらの細胞がユニークな幹細胞マーカー遺伝子、ECMリモデリング、「パイオニア」細胞表現型へと移行していることを意味している。 これらの結果から、マウスおよびヒトの進行した動脈硬化性病変内のSMC由来細胞は、一般的に考えられているよりもはるかに大きな表現型の可塑性を示しており、Klf4はLgals3骨形成細胞を含む複数の表現型への移行を制御しており、後期の動脈硬化性プラークの病態形成に有害である可能性が高いことが示唆された。
Rupture or erosion of advanced atherosclerotic lesions with a resultant myocardial infarction or stroke are the leading worldwide cause of death. However, we have a very limited understanding of the identity, origin, and function of many cells that make up late stage atherosclerotic lesions, as well as the mechanisms by which they control plaque stability. We conducted a comprehensive single-cell RNA-seq of advanced human carotid endarterectomy samples and compared these with scRNA-seq from murine micro-dissected advanced atherosclerotic lesions with smooth muscle cell (SMC) and endothelial lineage tracing to survey all plaque cell types and rigorously determine their origin. We further used ChIP-seq, bulk RNA-seq and an innovative dual lineage tracing mouse to understand the mechanism by which SMC phenotypic transitions affects lesion pathogenesis. We provide evidence SMC-specific Klf4- versus Oct4-knockout showed virtually opposite genomic signatures and their putative target genes play an important role regulating SMC phenotypic changes. scRNA-seq revealed remarkable similarity of transcriptomic clusters between mouse and human lesions and extensive plasticity of SMC- and EC-derived cells including seven distinct clusters, most negative for traditional markers. In particular, SMC contributed to a Myh11, Lgals3 population with a chondrocyte-like gene signature that was markedly reduced with SMC- knockout. We observed that SMC that activate Lgals3 comprise up to 2/3 of all SMC in lesions. However, initial activation of Lgals3 in these cells does not represent conversion to a terminally differentiated state, but rather represents transition of these cells to a unique stem cell marker gene, ECM-remodeling, "pioneer" cell phenotype that are the first to invest within lesions and subsequently give rise to at least 3 other SMC phenotypes within advanced lesions including Klf4-dependent osteogenic phenotypes likely to contribute to plaque calcification and plaque destabilization. Taken together, these results provide evidence that SMC-derived cells within advanced mouse and human atherosclerotic lesions exhibit far greater phenotypic plasticity than generally believed, with Klf4 regulating transition to multiple phenotypes including Lgals3 osteogenic cells likely to be detrimental for late stage atherosclerosis plaque pathogenesis.