紊乱血流上调血管 Sema7A通过内皮 β1 整合素促进动脉粥样硬化(血流紊乱和血流丰富是一样的吗?)

紊乱血流上调血管 Sema7A通过内皮 β1 整合素促进动脉粥样硬化(血流紊乱和血流丰富是一样的吗?)

内皮细胞能感知并响应各类病理生理刺激,以此维持血管的完整性与稳态。当暴露于受扰血流时,内皮细胞会发生显著表型变化,进而导致血管通透性增加、细胞因子释放及白细胞黏附,这类血管壁的结构和功能改变会提高动脉粥样硬化的易感性。以往研究已发现膜受体、黏附分子等一系列血流应答相关分子,它们被认为是动脉粥样硬化的潜在治疗靶点。

轴突导向因子(Semaphorins)最初被认定为神经元生长的调控因子,其家族部分成员还参与免疫应答、血管发育等生理及病理过程。其中,Sema7A是 GPI 锚定的细胞表面蛋白,具有特定结构域,在神经元、内皮细胞等多种细胞中表达,可调控炎症应答、癌症进展等,且在缺氧等诱导的急性炎症中,肺内皮细胞的 Sema7A 会被 HIF-1α 上调,但目前尚无其参与动脉粥样硬化发生发展的相关报道。研究团队此前发现,敲除轴突导向因子家族成员 Sema4D 可抑制动脉粥样硬化。

因此,苏州大学唐仲英血液学研究中心的研究团队通过高脂饮食喂养的 ApoE⁻/⁻小鼠颈动脉部分结扎模型来进行验证。研究发现受扰血流会诱导内皮细胞中 Sema7A 的表达上调,而基因敲除 Sema7A 能减轻 ApoE⁻/⁻小鼠的动脉粥样硬化。研究成果发表在Arterioscler Thromb Vasc Biol期刊,题为“Vascular Semaphorin 7A upregulation by disturbed flow promotes atherosclerosis through endothelial β1 integrin”。

首先,为了探究 Sema7A 在动脉粥样硬化中的作用,研究人员通过高脂饮食诱导的 Sema7A⁻/⁻ApoE⁻/⁻小鼠模型发现,Sema7A 基因敲除可使小鼠主动脉的粥样硬化病变面积减少 51.5%(主动脉弓减少最显著)(图 1A、B),主动脉根部脂质蓄积面积减少 51.8%(图 1C、D),且小鼠的血清脂质和体重未受影响。同时,人类动脉粥样硬化颈动脉组织中 Sema7A 蛋白水平显著高于健康腹主动脉 (图 1E)。这些结果表明 Sema7A 参与动脉粥样硬化的发生发展。

图1 Sema7A 缺失减少 ApoE⁻/⁻小鼠主动脉脂质沉积且血管 Sema7A 在动脉粥样硬化中上调。

通过对比不同血管区域发现,易受紊乱血流影响的主动脉弓及主动脉小弯侧,其 Sema7A 的 mRNA 和蛋白表达水平均高于血流较稳定的区域(图 2A-C)。在体内通过部分颈动脉结扎诱导紊乱血流后,结扎侧颈总动脉的 Sema7A mRNA 水平显著升高(图 2F),且内皮细胞中 Sema7A 蛋白表达明显增加(图 2G)。体外实验中,暴露于振荡剪切应力的人脐静脉内皮细胞,其 Sema7A mRNA 水平也高于层流剪切应力处理的细胞(图 2H)。这些结果共同证实了紊乱血流对血管内皮细胞 Sema7A 表达的上调作用。

为了进一步探究紊乱血流如何上调内皮细胞中 Sema7A 的表达, 研究人员通过计算机启动子分析发现,人和小鼠的 Sema7A 启动子区域存在剪切应力响应转录因子 CREB 的潜在结合位点。鉴于 PKA 是 CREB 在血流信号中的经典上游调控因子,进一步实验显示,用 H89 抑制 PKA 后,CREB 磷酸化水平降低,而 Sema7A 的 mRNA 和蛋白表达增加(图 2I-L)。这表明 PKA/CREB 信号通路的抑制可能是紊乱血流上调内皮细胞 Sema7A 表达的潜在机制。

图2 紊乱血流上调血管内皮细胞中 Sema7A 的表达。

随后,为了明确紊乱血流诱导的 Sema7A 表达是否参与内皮炎症,研究人员检测了部分颈动脉结扎(PCL)术后 Sema7A+/+ 小鼠和 Sema7A−/−小鼠颈动脉中 ICAM-1 和 VCAM-1 的水平。结果显示,紊乱血流会上调内皮黏附分子 ICAM-1 和 VCAM-1 的表达,而 Sema7A 缺失可消除这种上调 —Sema7A−/−小鼠经 PCL 处理的左颈总动脉中,ICAM-1 和 VCAM-1 的 mRNA 水平及蛋白表达均低于 Sema7A+/+ 小鼠(图 3A-F)。同时,Sema7A 缺失还会降低 P - 选择素的 mRNA 水平,但对 E - 选择素无显著影响,表明其对黏附分子的调控具有选择性。这些结果表明,Sema7A 缺失可减少紊乱血流诱导的内皮细胞 ICAM-1、VCAM-1 等黏附分子的表达。

研究人员进一步探究了 Sema7A 在动脉粥样硬化相关过程中的作用。结果显示,Sema7A 缺失能显著减少白细胞滚动和黏附:在经 TNF-α 预处理的小鼠提睾肌小静脉中,Sema7A−/−小鼠的白细胞滚动和黏附分别减少 45.2% 和 68.2%(图 3G、H )。在改良的 PCL 模型中,其颈动脉内皮上的白细胞黏附减少 67.2%(图 3I、J)。这表明,Sema7A 缺失可减少紊乱血流诱导的黏附分子上调,进而减少小鼠体内的白细胞黏附。 此外,在 PCL 模型中,与 Sema7A+/+ApoE−/−小鼠相比,Sema7A−/−ApoE−/−小鼠的动脉粥样硬化斑块面积显著减小(减少约 66%)(图 3K、L)。这些结果表明,Sema7A 可促进紊乱血流诱导的动脉粥样硬化斑块形成。

图3 Sema7A 缺失减少紊乱血流诱导的内皮细胞中 ICAM-1 和 VCAM-1 的表达、白细胞黏附及斑块形成。

接着为了研究 Sema7A 在动脉粥样硬化中调控 ICAM-1、VCAM-1 表达及白细胞黏附的机制,研究构建了 Sema7A 过表达的人脐静脉内皮细胞系。检测显示,与转导对照病毒的细胞相比,Sema7A 过表达的细胞中 ICAM-1 和 VCAM-1 的表达水平显著升高(图 4A-D)。研究人员还探究了 Sema7A 调控内皮功能障碍的机制,发现 β1 整合素是其关键受体。实验显示,用抗体阻断 β1 或 α1 整合素亚基,可降低过表达 Sema7A 的 HUVECs 中 ICAM-1 的表达(图 4E)。这表明,Sema7A 可能通过 α1β1 异二聚体发挥作用。进一步研究表明,Sema7A 过表达会激活 FAK(图 4F),而抑制 FAK、MEK1/2 或 NFκB 相关酶(IKK-1/2)后,ICAM-1 的高表达及 NFκB P65 的磷酸化均受抑制(图 4G、H) 。综上,Sema7A 通过 β1 整合素及其下游的 FAK/MEK1/2/NFκB 信号通路,介导血管内皮功能障碍。

为了探究 β1 整合素及下游 FAK/MEK1/2/NFκB 信号在单核细胞 - 内皮细胞相互作用中的作用,研究人员开展了体外单核细胞 - 内皮细胞黏附实验。实验显示:过表达 Sema7A 的 HUVECs 对 THP-1 细胞的黏附显著增加(约为对照的 2.1 倍)。而阻断 β1 或 α1 整合素,或抑制 FAK、MEK1/2、NFκB 后,这种增强的黏附作用被明显减弱(图 4I、J)。这表明 Sema7A 通过 β1 整合素依赖的方式,并借助下游 FAK/MEK1/2/NFκB 信号通路,增强内皮细胞黏附分子的表达及单核细胞与内皮细胞的相互作用。

图4 Sema7A 过表达增强内皮细胞黏附分子表达及单核细胞 - 内皮相互作用。

接下来,为了明确血管源性与血源性 Sema7A 在白细胞黏附中的作用,研究人员进行了体外白细胞黏附实验。结果如图 5A 所示:经 LPS 处理的 Sema7A⁺/⁺主动脉内皮与 Sema7A⁻/⁻白细胞共孵育时,单核细胞黏附略有减少;但当内皮细胞本身缺失 Sema7A(Sema7A⁻/⁻)时,无论与之共孵育的白细胞是否表达 Sema7A,单核细胞黏附均几乎完全阻断。这一结果表明,在炎症刺激下,血管内皮细胞来源的 Sema7A 是介导主动脉单核细胞黏附的主要因素。

最后,为了明确血管源性与血源性 Sema7A 在紊乱血流诱导的动脉粥样硬化中的作用,研究构建了骨髓移植嵌合小鼠模型,结果如图 5B 所示:无论移植是Sema7A−/−ApoE−/−还是 Sema7A+/+ApoE−/−的血细胞,Sema7A−/−ApoE−/−小鼠的动脉粥样硬化病变面积均显著小于 Sema7A+/+ApoE−/−小鼠,尤其在受紊乱血流影响的主动脉弓处更为明显。这表明,在动脉粥样硬化发生中,内皮细胞源性 Sema7A 起主要作用,而非血源性Sema7A。

图5 内皮细胞 Sema7A 对促进白细胞黏附和斑块形成起主要作用。

总之,该研究指出,Sema7A 在紊乱血流引发的内皮细胞功能异常及动脉粥样硬化斑块形成中扮演关键角色。其促动脉粥样硬化作用主要通过整合素 β1 介导,该受体可激活下游 FAK/MAPK/NFκB 信号通路,进而推动白细胞黏附、浸润及动脉粥样硬化的进展。这些发现为动脉粥样硬化的防治提供了新的潜在靶点和策略。

参考文献:Hu S, Liu Y, You T, Heath J, Xu L, Zheng X, Wang A, Wang Y, Li F, Yang F, Cao Y, Zhang H, van Gils JM, van Zonneveld AJ, Jo H, Wu Q, Zhang Y, Tang C, Zhu L. Vascular Semaphorin 7A Upregulation by Disturbed Flow Promotes Atherosclerosis Through Endothelial β1 Integrin. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2018 Feb;38(2):335-343. doi: 10.1161/ATVBAHA.117.310491. Epub 2017 Dec 21. PMID: 29269512; PMCID: PMC5785426.

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29269512/

Impact Factor: 7.4

ISSN: 1079-5642 (Print);1524-4636 (Electronic)

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