大家好,今天给大家分享的是2022年9月份发表在Circulation(IF=39.2)的文章。本文通过多组学分析得出遗传对冠状动脉疾病风险的影响可能部分是通过血管平滑肌细胞起作用的。在冠状动脉疾病易感性基因座上发现的药用候选致病基因有望成为新的治疗靶点。
Effects of Coronary Artery Disease–Associated Variants on Vascular Smooth Muscle Cells
冠状动脉疾病相关变异对血管平滑肌细胞的影响
研究背景:全基因组关联研究(Genome-wide association studies,GWASs)已在>190个位点确定了与冠状动脉疾病(coronary artery disease,CAD)密切相关的常见遗传变异。然而,大多数这些基因座潜在生物学机制仍然未知,这阻碍了将遗传发现转化为新的了解疾病机制和开发新治疗方法。由GWASs鉴定的CAD相关位点/变异中约有2/3与常规危险因素(例如,低密度脂蛋白胆固醇水平升高和血压升高)无关,表明大多数CAD易感性基因座不通过传统途径发挥作用,因此目前的治疗方法未解决问题。相反,GWASs鉴定的许多CAD基因座包含与血管细胞生物学有关的基因,它们直接指向涉及血管壁细胞的新机制。因此,确定血管细胞中的新途径和治疗靶点可能有助于开发新的治疗方法,以补充当前针对传统风险因素的策略。血管平滑肌细胞(Vascular smooth muscle cells,VSMCs)是血管壁中的主要细胞类型,在动脉粥样硬化发生发展中发挥重要作用,是CAD的病理状态。越来越多证据表明,遗传对CAD风险的影响可能部分通过VSMCs发挥作用。例如许多CAD基因座的遗传变异已被证明会影响VSMCs基因表达或影响VSMC行为。然而,尚未对来自不同个体的VSMCs生物库基因组、转录组和表型分析进行系统大规模分析。在这里,作者报告了该分析并描述了这些发现如何用于识别新的药物靶点。
结果:
本研究整体思路如图1所示。在本研究中,作者用了来自2114人的脐动脉VSMCs。作者对1992个VSMCs生物样本库的760000个变体进行基因分型,并通过插补获得7334165个变体基因型信息。作者还使用链特异性文库对1499个VSMC样本进行RNA-Seq(在培养物第3代)。此外,对第3代细胞进行了VSMC增殖(n=2025样本)、迁移(n=2019)和细胞凋亡(n=2075)测定。对所产生的基因型、RNA-Seq和VSMC行为参数数据集进行了分析,如图1中。
图1 研究思路流程图。
1.CAD相关变异对VSMCs基因表达/剪接的影响
使用来自RNA-Seq数据,作者进行了多维度分析,比较了本研究中VSMCs转录组与来自人类冠状动脉平滑肌细胞转录组数据和其他类型细胞/组织转录组数据。分析表明,本研究中VSMCs基因表达谱比其他任何细胞/组织类型更接近人类冠状动脉平滑肌细胞(图2)。
图2 本研究中VSMCs基因表达谱与人类冠状动脉SMCs和其他类型细胞/组织的比较。
2.VSMCs中CAD关联与eQTL信号共定位
疾病GWASs和eQTL信号之间的共定位已被用作一种精细映射方法,已成功识别疾病风险位点的候选因果变异和候选因果基因。因此,作者将该研究中CAD GWAS和VSMC eQTL数据进行了共定位测试。作者应用了2种共定位工具:eCAVIAR23和SMR/HEIDI。最近一项人类冠状动脉平滑肌细胞共定位研究报告了5个基因(SIPA1、TCF21、SMAD3、FES和PDGFRA),在eCAVIAR或SMR分析中显示出与CAD GWAS信号显著共定位。在该研究中,其中三个基因(TCF21、SMAD3和FES)在eCAVIAR和SMR分析中均显示出显著共定位。此外,在eCAVIAR或SMR分析中检测到81个基因(总共84个基因,包括TCF21、SMAD3和FES)的eQTL信号与CAD GWAS信号显著共定位,其中18个在两种分析中都显示出显著共定位)。在本研究中观察到的几个代表性基因座中VSMC eQTL和CAD GWAS信号之间的共定位如图3所示。84个候选因果基因染色体位置如图4A所示。功能通路分析揭示了几种生物通路的富集,例如转化生长因子-β(TGF-β)信号通路,其中包括TGFβ1、BMPR2、BMP1和SMAD3(图4B)。
图3 CAD GWAS和VSMC eQTL信号共定位。A,表达数量性状基因座(eQTL)和GWAS相关区域因果变异识别(eCAVIAR)分析CAD GWAS和VSMC eQTL信号共定位结果。B,SMR/HEIDI分析中基于汇总数据的孟德尔随机化/异质性结果。C,TCF21 eQTL信号在VSMCs中与TCF21基因座处的CAD GWAS信号共定位。D,SMAD3 eQTL信号在VSMCs中与SMAD3基因座处的CAD GWAS信号共定位。E,VSMCs中FES eQTL信号与FES基因座处CAD GWAS信号共定位。F,MIA3 eQTL在VSMCs中与MIA3基因座处的CAD GWAS信号共定位。G,TGFB1 eQTL信号在VSMCs中与TGFB1基因座处的CAD GWAS信号共定位。H,VSMCs中REST eQTL信号与REST基因座处的CAD GWAS信号共定位。
图4 候选因果基因染色体位置(A)和功能通路(B)。A,方框表示不同染色体,编号从1到22,每个方框内显示细胞遗传学条带。方框外部线条代表冠状动脉疾病相关变异,这些变异在血管平滑肌细胞中具有eQTL或剪接数量性状基因座(splicing quantitative trait locus,sQTL)效应。B,显示了一些候选因果基因富集的已识别功能途径。
3.候选致病基因的成药性
VSMCs中具有eQTL信号的84个候选因果基因中有25个在eCAVIAR或SMR分析中显示与CAD GWAS信号显著共定位,确定了38个可成药基因(图5),表明它们是潜在治疗靶点。此外,对药物基因相互作用数据库的查询表明,84个候选因果基因中有13个具有药物-基因相互作用的证据(图5)。
图5 与CAD GWAS信号显著共定位的VSMCs中具有eQTL信号基因的成药性。
4.与VSMC行为相关的共表达基因模块
使用VSMC转录组和细胞行为数据集,作者研究了基因表达水平和VSMC行为之间可能存在的关联。预计VSMC行为同时受到许多基因影响,作者进行了WGCNA。WGCNA分析揭示了几个共表达基因模块与各种VSMC行为参数高度显著关联(图6和7);例如,MEgreen模块与VSMC增殖负相关(图6和6B),而MEturquoise模块与细胞凋亡负相关(图7A和7B)。为了测试MEgreen模块中枢基因YIPF6对VSMC增殖的影响以及MEturquoise模块中枢基因SLC25A36对细胞凋亡的影响,作者用siRNA介导的YIPF6敲低在VSMCs中进行了增殖测定,并在VSMC中用siRNA介导的SLC25A36敲低进行了细胞凋亡测定。实验表明,YIPF6敲低增加了VSMC增殖(图6C),而SLC25A36敲低促进了VSMC细胞凋亡(图7C)。GO分析表明,各种共表达的基因模块在特定生物过程、细胞成分、分子功能和功能通路中具有显著富集。例如,MEgreen模块在吞噬体、膜运输和囊泡介导的转运相关通路中显著富集(图6D),而MEturquoise模块在参与钙粘蛋白信号传导、Wnt信号传导和编码细胞外基质蛋白中显著富集(图7D)。
图6 与VSMC增殖和功能途径相关的共表达基因模块。A,共表达基因模块与VSMC增殖相关性热图。B,个体基因表达水平与低强度EdU染色阳性VSMCs百分比相关系数。C,MEgreen模块中枢基因YIPF6对VSMC增殖的影响。D,MEgreen模块中富集的生物途径。
图7 与VSMC凋亡和功能通路相关的共表达基因模块。A,共表达基因模块与VSMC凋亡参数相关性热图。B,个体基因表达水平和星孢菌素处理4小时后低强度EdU染色阳性VSMCs百分比相关系数。C,MEturquoise模块中枢基因SLC25A36对VSMC凋亡的影响。D,MEturquoise模块中富集的生物途径。
结论:
本研究对VSMC基因组、转录组和细胞行为数据进行综合分析,确定了84个可能通过VSMC调节CAD风险的基因,其中一些基因(例如:TGFB1、SMAD3、BMP1和BMPR2)可能与影响VSMC行为通路相关。在已确定的候选致病基因中,38个具有潜在成药性,因此有希望成为治疗靶点。这些发现可用于为局部靶向VSMC新疗法的开发提供信息,并补充当前针对传统CAD风险因素的干预措施。
参考文献:Solomon C U, McVey D G, Andreadi C, et al. Effects of Coronary Artery Disease-Associated Variants on Vascular Smooth Muscle Cells[J]. Circulation. 2022,146(12):917-929.