综合单细胞多组学分析发现，类似成纤维细胞的平滑肌细胞是主动脉瘤进展过程中关键的表型转换驱动因素

《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》：Integrated single-cell multi-omics analysis identifies fibroblast-like smooth muscle cells as a key driving phenotypic switching during aortic aneurysm progression

张建林|赵文波

中国济南250012，洛宾理论创新与转化国家重点实验室

摘要

背景

主动脉瘤（AA）是一种危及生命的血管疾病，其特征是平滑肌细胞（SMC）表型转换。然而，SMC的异质性以及这种转变背后的调控机制尚未完全明了。

方法

我们整合了来自健康人和AA患者主动脉组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞可转座酶染色质测序（scATAC-seq）数据，以表征SMC的异质性。进行了计算分析、轨迹推断和通路富集分析。关键发现通过免疫荧光染色、动物模型以及使用HASMCs的体外实验得到了验证。

结果

共鉴定出16种主要细胞类型和8种不同的SMC亚群。纤维样SMC（Fib-like SMCs）与AA的进展密切相关，这一结论得到了计算分析和免疫荧光染色的支持。轨迹分析表明，Fib-like SMCs具有较高的分化潜力，并处于一个类似前体的位置，能够产生其他SMC亚型。转录组和代谢分析显示其糖酵解重编程增强，表明乳酸生成和乳酸化相关活性增加。KAT5被确定为介导组蛋白乳酸化并驱动Fib-like SMC表型改变的核心调控因子。体外实验表明，KAT5通过激活Wnt信号通路、上调KLF4表达并诱导H4K12乳酸化，维持了人类主动脉SMC的干细胞特性。

结论

Fib-like SMCs代表了一类关键的前体样细胞，通过KAT5介导的代谢-表观遗传调控轴，在AA进展过程中驱动SMC表型转换，为了解动脉壁重塑提供了新的见解。

引言

主动脉瘤（AA）涉及主动脉的弱化和扩张，可能导致严重的并发症，如主动脉夹层和破裂[1]，[2]。AA的主要病理特征包括平滑肌细胞（SMCs）和细胞外基质（ECM）的重塑减少[3]。在AA的病理生理机制中，表现出显著表型可塑性的SMC动态群体起着关键作用[4]。几十年来，SMC表型转换被简化为从收缩型向合成型和增殖型的转变[5]。然而，最新证据表明，SMC的表型多样性比之前认为的要复杂得多，包括类似于成纤维细胞、炎症细胞和成骨细胞的表型[6]，[7]。

到目前为止，我们对构成AA组织的许多SMC表型的起源和功能的理解仍然有限。干细胞多能基因KLF4据报道通过增加LGALS3⁺ SMCs的数量来促进SMC表型变化，这些细胞可以发展为至少三种其他SMC表型：成骨型SMCs、炎症型SMCs和富含ECM的SMCs[6]，[8]。值得注意的是，KLF4也可能协调与表型转换相关的代谢重编程[9]。然而，这些发现主要来自动脉粥样硬化斑块的研究，而AA组织中SMC表型的起源和功能作用仍不清楚。

实验上，可以通过多种刺激在小鼠中诱导AA，包括血管紧张素II（AngII）和红细胞生成素（EPO）[2]，[10]。EPO诱导的模型再现了人类AA的关键特征，如血管炎症和SMC凋亡，而没有高血压和高脂血症的干扰效应，为机制研究提供了相关的实验系统[2]，[10]。最近注意到，在AA进展过程中，SMC的表型变化伴随着从氧化磷酸化（OXPHOS）向有氧糖酵解的代谢转变[11]，[12]。这种代谢重编程增加了葡萄糖的摄取和利用，以满足高增殖SMCs的能源需求，从而导致乳酸生成增加[13]。作为信号分子，乳酸促进了SMC从收缩型向合成型的转变[14]，[15]。此外，组蛋白乳酸化是一种新发现的表观遗传修饰，它利用乳酸作为底物，已被证明可以调节基因转录并影响细胞命运决定[16]，[17]。先前的研究表明，组蛋白乳酸化通过p53信号通路促进SMC凋亡[18]。KAT5乙酰转移酶在组蛋白乳酸化中起重要作用，通过诱导H4K12的乳酸化[19]，将糖酵解重塑与肌肉细胞功能的维持联系起来[20]，[21]。尽管迄今为止已经进行了大量研究，但关于SMC代谢和翻译后修饰的现有研究仍然零散。此外，单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞可转座酶染色质测序（scATAC-seq）技术的进步为探索驱动细胞表型变化的转录组和表观基因组动态提供了前所未有的机会。然而，对参与AA的具体SMC亚群的全面、综合的单细胞多组学（ISCMO）表征，包括它们的发育轨迹以及转录调控和代谢重编程之间的相互作用，仍然缺乏。

本研究旨在：（1）使用ISCMO表征人类AA中SMC的异质性；（2）鉴定并功能验证与AA相关的关键SMC亚群；（3）阐明调控AA进展过程中SMC表型转换的转录和代谢网络，特别是KAT5介导的乳酸化作用。

章节片段

人类组织采样

人类AA组织是在手术中获得的，对照主动脉则来自男性捐献者的尸检标本。这些尸体由山东省红十字会提供。人类研究方案获得了山东大学齐鲁医院的伦理委员会批准（批准编号KYLL-2025(ZM)-036）。主动脉组织被包埋在石蜡中，并切成7微米厚的切片用于组织病理学染色。

动物模型

所有动物实验均获得了

正常主动脉和AA的单细胞谱型

我们从GEO数据库获得了两个scRNA-seq表达谱数据集（GSE155468和GSE166676）和一个染色质可及性谱数据集（scATAC-seq，GSE286575），其中包含了AA患者和正常对照（NC）捐赠者的主动脉组织表达数据。我们的生物信息学和实验策略概述见图1。为了表征AA患者血管平滑肌细胞（VSMCs）的表达模式，我们进行了scRNA-seq

讨论

本研究有几个关键发现。首先，我们在正常人类主动脉和AA组织中鉴定出8种不同的SMC亚群，其中Fib-like SMCs在AA组织中显著增加，并与动脉瘤的发展和进展密切相关。其次，计算轨迹分析表明，Fib-like SMCs可能是一个具有最高分化潜力的潜在起源簇，可能产生其他SMC亚群。第三，这个亚群

结论

本研究强调了Fib-like SMCs在AA进展过程中SMC表型转换中的潜在重要性。通过综合生物信息学和实验分析，Fib-like SMCs被表征为具有较高的分化潜力、增强的增殖活性和促炎表型，这与糖酵解重编程的转录组特征和由KAT5介导的组蛋白乳酸化有关。这些发现突显了

CRediT作者贡献声明

张建林：撰写——原始草稿、可视化、验证、资源收集、调查、正式分析、数据管理。赵文波：撰写——审阅与编辑、监督、软件使用、项目管理、方法学设计、资金获取、概念构思。

伦理批准

人类研究方案获得了山东大学齐鲁医院的伦理委员会批准（批准编号KYLL-2025(ZM)-036）。所有动物实验均获得了山东大学齐鲁医院的伦理委员会批准（编号DWLL-2023-039），并按照中国卫生部的动物管理规则进行。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号82500540，资助张建林；编号82403410，资助赵文波）、中国国家创新人才博士后计划（编号BX20240216，资助张建林）、中国博士后科学基金（编号2025M772387，资助张建林）以及山东省自然科学基金（编号ZR2025QC1709，资助张建林；编号ZR2024QH493，资助赵文波）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。