營養與健康所荊清研究組揭示血管內皮細胞時空異質性和MicroRNA-126維持內皮細胞異質性穩態的作用機制

作者: 2022-03-16 來源:
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  中國科學院上海營養與健康研究所荊清研究組在三月份當期的國際心血管領域專業期刊Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (ATVB) 正式發表了題為 “Single-Cell Transcriptome Analysis Reveals Embryonic Endothelial Heterogeneity at Spatiotemporal Level and Multifunctions of MicroRNA-126 in Mice” 的研究論文。該研究發現在小鼠胚胎發育14.5天,血管內皮細胞在轉錄水平已表現出組織或器官間的差異,并報道了MicroRNA-126 (miR-126)對血管內皮細胞異質性的穩態維持是不可或缺的關鍵調控因子。同期,還刊發了5頁述評文章(Editorial),由多倫多大學Jason E. Fish教授主筆,題為“MicroRNA-Based Regulation of Embryonic Endothelial Cell Heterogeneity at Single-Cell Resolution”,對該研究進行了高度概括和評價。

  心血管系統中,細胞的異質性是不可或缺的一種特性。位于血管最內層的內皮細胞 (Endothelial Cells, ECs) 為適應各器官的不同生理需求,在表型和功能上會進行微調。因此,盡管所有內皮細胞共同起源于中胚層且具有相同的泛內皮功能,但由于動靜脈差異以及所處器官微環境的不同,導致其在分子水平、細胞水平和生理功能上均表現出明顯差異。早在胚胎發育期,內皮細胞的異質性就已經確立,并隨著各發育階段逐漸調整和強化。同時在病理條件下,這種異質性也可能會發生改變。然而,內皮細胞異質性建立和維持的機制并不完全清楚。

  荊清研究員團隊通過流式細胞分選富集胚胎發育E14.5天的全組織內皮細胞(CD31+CDH5+&CD45-),并借助10X Genomics單細胞測序平臺,獲得約12000個內皮單細胞轉錄組數據。通過聚類分析發現該時期內皮細胞可以分為11個亞群,包括各組織和器官來源的微血管內皮細胞亞群、大脈管(動脈,靜脈以及淋巴管)來源的內皮細胞亞群以及處于間充質轉化階段的內皮細胞亞群。為進一步明確胚胎期與成年期內皮細胞在單細胞轉錄組水平的差異,研究團隊將獲得的E14.5天全胚胎內皮單細胞數據與已有的成年期各器官和組織內皮單細胞數據進行整合并作對比分析,發現處于增殖狀態的內皮細胞亞群占比在胚胎期明顯高于成年期,這提示胚胎期內皮細胞具有更高的分化潛能。隨后,為探究miRNA調控內皮細胞異質性穩態維持的作用機制,研究者構建了內皮細胞特異敲除miR-126(miR-126-ecKO)小鼠,并通過上述建庫策略獲得約5000個miR-126敲除的內皮單細胞數據。通過對比分析,研究者發現3個內皮細胞亞群(肝臟、間充質轉化和肺臟來源的內皮細胞)在miR-126敲除后出現明顯紊亂。進一步,研究團隊通過對影響最為明顯的肝臟內皮細胞亞群和間充質化內皮細胞亞群進行深入分析,發現miR-126對不同組織或器官來源的內皮細胞的功能影響存在差異。其中,Gene Ontology (GO)分析結果表明,對肝臟內皮的影響主要是低氧應激以及糖代謝通路上調。Masson染色結果表明miR-126-ecKO小鼠肝臟纖維化加劇。糖耐受和丙酮酸耐受實驗結果表明miR-126-ecKO小鼠血糖調節失衡。另一方面,間充質化和肺臟來源的內皮細胞亞群在缺失miR-126后,血管間充質化和鈣化相關分子通路明顯上調,茜素紅染色結果表明miR-126-ecKO小鼠肺臟和腦部微血管鈣鹽沉積明顯。接下來,研究團隊對miR-126調控小鼠血糖代謝的分子機制進行了初步探究,通過免疫熒光和免疫蛋白印跡實驗證實miR-126靶向低氧誘導因子HIF1A,抑制HIF1A-GLUT1信號通路激活。隨后,研究團隊通過腹腔注射agomir功能性回補miR-126,發現能夠明顯回復miR-126-ecKO小鼠血糖不耐受表型。綜上所述,該項研究證實內皮細胞在胚胎發育期已表現出器官或組織間的異質性并首次在單細胞水平證明miR-126對小鼠內皮細胞異質的穩態維持是不可或缺的。

  MicroRNA對某一類型細胞的調控作用主要取決于靶基因及其相關信號通路。由于不同組織或器官來源的內皮細胞在轉錄水平存在異質性,miR-126在不同內皮細胞亞群中主要調控的靶基因及相關信號通路存在差異。在整體水平表現為敲除miR-126導致各組織或器官的病理表型存在差異,如肝臟組織主要表現為纖維化加劇,肺臟以及腦部微血管主要為鈣化嚴重,而整體上主要為低氧應激加劇,細胞過度凋亡和血糖不耐受。評述作者Jason E. Fish認為荊清教授團隊的研究工作拓展了大家對miR-126調控作用具有組織或器官特異性這一概念的認知深度。

  中國科學院上海營養與健康研究所的郭方浩和關亞娜為共同第一作者,荊清研究員為本文的通訊作者。上海交通大學附屬新華醫院心內科陳豐原教授和南京醫科大學季勇教授為該研究工作提供了大力支持。該研究得到了科技部及國家自然科學基金委等項目的資助,同時也得到了中國科學院上海營養與健康研究所公共技術平臺和動物平臺的支持。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1161/atvbaha.121.317093

  評述鏈接:https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/ATVBAHA.122.317400


圖:血管內皮細胞在胚胎期14.5天已表現出異質性且MircoRNA-126積極參與內皮細胞異質性的穩態維持

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