Tgfbr2基因缺陷会促进胸主动脉瘤和夹层中血管平滑肌细胞的线粒体功能障碍

《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》：Tgfbr2 deficiency promotes mitochondrial dysfunction of vascular smooth muscle cells in thoracic aortic aneurysms and dissections

本研究揭示胸主动脉夹层/动脉瘤（TAADs）中TGF-β信号通路异常与线粒体功能障碍的相互作用，通过VSMC特异性Tgfbr2敲除小鼠模型证实，TGF-β信号失调通过复杂分子互作导致线粒体复合体IV功能受损，进而驱动血管平滑肌细胞表型转换和主动脉退行性变，为联合靶向治疗提供新机制。

　　

滕振清|王琦|张阳|张全|沈莉|马翔

新疆医科大学第一附属医院心内科，中国乌鲁木齐

摘要

线粒体失调通过调节胸主动脉瘤和夹层（TAADs）中血管平滑肌细胞（VSMCs）的表型可塑性，促进血管不稳定。典型的转化生长因子-β（TGF-β）信号通路也是TAADs中的关键通路，它还控制着VSMCs的稳态，但这两个通路之间的机制相互作用尚不清楚。我们的目标是确定失调的TGF-β信号通路是否以及如何直接导致线粒体损伤，从而推动TAADs的发展。在此研究中，我们系统地分析了TGF-β信号通路与TAADs进展过程中线粒体功能之间的调控关系。单细胞转录组分析显示，TAADs样本中线粒体功能障碍与TGF-β通路失调之间存在显著相关性。利用针对VSMCs的条件性Tgfbr2敲除小鼠，我们提供了有力证据，证明失调的TGF-β信号通路通过复杂的分子相互作用介导线粒体损伤。批量RNA测序和非靶向代谢组学分析确立了VSMCs中Tgfbr2缺陷小鼠的线粒体功能障碍与主动脉退化严重程度之间的因果关系。伪时间轨迹分析表明，线粒体呼吸复合体IV是TGF-β介导的线粒体调控的关键下游效应器。Western blot分析显示，VSMCs中Tgfbr2的缺失显著降低了复合体IV调控蛋白的表达，这与血管损伤的严重程度呈线性相关。我们的发现表明，TAADs的病理生理学从单向机制向多通路网络转变，为开发针对线粒体-TGF-β调控轴的协同治疗干预措施提供了坚实的理论基础。

引言

胸主动脉瘤和夹层（TAADs）的特点是发病隐匿，主动脉破裂后死亡率极高[1]、[2]、[3]。主动脉血管平滑肌细胞（VSMCs）的表型转换破坏了主动脉血管的稳态，这是TAADs发病机制的关键[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。多种因素，包括线粒体代谢功能障碍和VSMCs内的异常转化生长因子-β（TGF-β）信号通路，都参与了表型转换[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。迄今为止，基础研究已经详细阐明了单个因素如何调控VSMCs的表型转换。然而，临床TAADs的病因具有复杂性和多样性，患者的VSMCs表型转换是由多种因素相互作用共同引发的。因此，理解多种致病因素之间的相互作用已成为理解VSMCs表型转换和阐明TAADs发病机制的前沿。

线粒体功能及其相关代谢通路通过调控VSMCs的表型转换，在维持主动脉血管稳态中起着关键作用[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。多种机制可引发线粒体功能障碍，从而加剧VSMCs的表型转换，包括SLC25A5和NR1D1等基因的异常、Notch通路的破坏、线粒体呼吸复合体的功能障碍以及线粒体代谢产物的积累[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。因此，最近的治疗策略集中在激活线粒体功能上，以增强血管对各种有害因素的抵抗力。然而，在临床TAADs患者中，疾病发病机制通常更为复杂，存在多种相互作用的致病因素，仅靠改善线粒体功能不足以抑制TAADs的进展[2]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这需要从线粒体角度探索其他调控VSMCs表型的致病因素与线粒体功能之间的协同作用。

先前的研究表明，TGF-β信号通路对VSMCs表型转换的调控与线粒体对VSMCs的调控在功能上具有相似性[6]、[9]、[10]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。然而，实验设计的局限性和技术限制阻碍了建立细胞内线粒体功能与TGF-β信号通路之间明确的调控关系。利用基因编辑小鼠和CRISPR-Cas9技术的最新研究表明，细胞外致病因子可以激活TGF-β信号通路，随后通过膜结合的TGFBR2将信号传递给人类成纤维细胞中的细胞内线粒体功能[35]。这些发现表明，TGF-β信号通路作为连接细胞外信号与细胞内线粒体功能的桥梁。尽管如此，现有的关于TAADs的研究尚未确定TGF-β信号通路与线粒体功能在调控VSMCs表型转换方面是否存在关联。我们的初步发现表明，在TAADs中，尤其是VSMCs中，线粒体损伤与TGF-β信号通路异常之间存在关联。在马凡综合征相关的TAADs中，FBN1基因突变会间接导致TGF-β信号通路功能障碍和主动脉血管线粒体损伤[24]。这一证据表明，在TAADs研究中，特别是在VSMCs表型转换方面，线粒体损伤与TGF-β信号通路调控之间的调控关系和协同效应可能是VSMCs表型转换的基本机制。

我们的研究旨在明确：（i）在TAADs的起始和进展过程中，TGF-β信号通路的扰动是否与VSMCs内线粒体代谢的时空变化同时发生；（ii）选择性删除VSMCs中的Tgfbr2是否足以引发线粒体功能障碍，从而触发TAADs的发病。

方法

详细的实验程序见补充材料。

TGF-β信号通路损伤与TAAD VSMCs中的线粒体应激并行

为了研究典型TGF-β信号通路与急性胸主动脉瘤（ATAA）中线粒体功能障碍之间的关系，我们构建了跨物种单细胞转录组图谱。经过严格的质量控制后，数据集包括来自ATAA样本的38,918个细胞和来自对照组的12,878个细胞（图1A–B）。无监督聚类分析揭示了11个血管/免疫谱系，其中收缩型VSMCs的比例显著下降（从对照组的46.5%降至ATAA的11.4%）

讨论

我们的结果提供了遗传学和多组学证据，证明TGF-β信号通路的异常是线粒体功能障碍的上游驱动因素，从而促进了TAADs的发病和进展。这项研究将TAADs的发病机制从单一因素模型扩展到了多因素相互作用网络，为针对综合调控轴的组合治疗策略提供了理论基础。

在本研究中，我们通过……

结论

VSMCs中Tgfbr2的缺失会引发呼吸复合体IV的早期选择性崩溃，导致Δψm下降，加剧线粒体分裂，并进而阻碍线粒体自噬过程。这些共同的缺陷表明，典型的TGF-β信号通路是主动脉中能量完整性的关键调控者，为受体丢失与引发TAADs进展的线粒体功能障碍之间提供了机制上的桥梁。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

滕振清：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。王琦：软件，方法学，研究，数据分析。张阳：监督，软件，方法学，数据分析。张全：监督，软件，方法学，数据分析。沈莉：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资源，方法学，研究，

出版同意

不适用。

资助

本研究得到了新疆医科大学（编号XYD2024ZX03）、新疆维吾尔自治区技术创新团队项目（编号2024TSYCTD0017）、新疆维吾尔自治区重点研发任务（编号2022B03022和2022B03022-3）以及国家自然科学基金（编号82360090）的财政支持。

伦理批准和参与同意

所有研究均遵循美国国立卫生研究院关于实验室动物护理和使用的指南进行。该研究得到了新疆医科大学动物中心委员会的批准（批准编号IACUC-JT-20230424-44）。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

无。

致谢

我们感谢马一通教授、郭世鹏博士以及GZDlab的所有成员与第一作者的讨论，并感谢他们的帮助和支持。图形摘要中使用的线粒体插图改编自https://www.home-for-researchers.com提供的视觉材料，仅用于示意性表示。