Notch信号通路调控应变介导的血管平滑肌细胞表型转化

骨关节炎（OA）不再被视为关节软骨磨损的简单问题。相反，骨关节炎是一种涉及软骨和非软骨组织（如软骨下骨和滑膜）的全关节疾病。其中，软骨下骨随着力学环境的变化而不断重塑。目前对OA软骨下骨紊乱的理解jinxian于其与韧带或半月板损伤导致的局部机械负荷改变的联系。最近，高血压，最常见的血管疾病，已成为OA的一个独立危险因素。这可能表明全身血流动力学机械应力在软骨下骨重塑和OA发病机制中具有合理的作用。然而，他们的关系仍未完全了解。

组织生长和重塑主要由细胞介导，机械信号在此过程中起着关键作用。在血管壁中，血管平滑肌细胞（VSMCs）是血管重塑的重要调节因子，因为它们能够表达不同的表型，即分化表型（收缩表型）和去分化表型（合成表型）。VSMCs在稳态下表现出静止的收缩表型，但能够在血流动力学条件发生变化时切换到合成表型以诱导生长和重塑。VSMCs经历的循环应变会影响其表型，与静态对照相比，循环应变时收缩表型标志物的上调和下调都有报道。然而，应变介导的VSMC表型变化的潜在机制尚未wanquan解开。

VSMCs的表型可塑性受几种信号通路的调节，例如转化生长因子β、Hippo/yes相关蛋白和Notch，它们越来越被认为是机械敏感的。此外，已知Notch信号参与血管系统的发育、重塑和稳态。在血管壁中，内皮细胞表达的Jagged1配体与邻近VSMCs的Notch受体结合，并以前馈方式激活Notch信号。这种相互作用使Notch信号通过称为侧向诱导的过程在VSMC层中传播，并促进VSMCs的分化。然而，在血管重塑的背景下，应变和Notch信号转导之间的相互作用如何以及在多大程度上影响VSMC表型尚未得到研究。

鉴于Notch在调节血管发育和适应方面的重要作用，荷兰埃因霍芬理工大学生物医学工程系课题组曾假设Notch信号可以直接调控VSMC表型以响应机械应力，该团队通过获取VSMCs的合成和收缩表型，并将其循环拉伸48小时，以确定由应变引起的表型标记物的变化。结果表明，应变对收缩表型VSMCs的应用导致了其向合成表型的转化，而Notch信号在此过程中发挥重要作用。研究成果发表在Frontiers in Cell and Developmental Biology期刊题为“Notch signaling regulates strain-mediated phenotypic switching of vascular smooth muscle cells”。首先，为了阐明Notch对VSMC表型的影响，通过抑制剂DAPT抑制Notch信号，同时将VSMCs接种在固定的Jagged1配体上来激活Notch信号。实验观察到，与对照组相比，在DAPT后，收缩型VSMCs中αSMA的纤维组织丢失（图1 A），ACTA2表达普遍较低，但DAPT处理几乎不影响合成细胞中ACTA2和KI67的表达以及αSMA和KI67染色（图1 A-D）。相比之下，与DAPT处理组相比，Notch信号的激活增加了合成和收缩型VSMCs的收缩特征（图1 A、C），且Notch活化显著降低了合成VSMCs的增殖特征（图1 B、D）。这些观察结果表明，Jagged1介导的Notch激活增加了VSMCs的收缩特性。DAPT介导的Notch信号抑制降低了收缩型VSMCs中收缩蛋白的表达，尽管不显著，这与Notch在维持VSMCs的收缩特性中的作用一致。

然后，实验评估了合成和收缩型VSMCs中Notch通路基因的表达，发现与合成VSMCs相比，收缩VSMCs显示JAG1的表达增加，NOTCH1和NOTCH2的表达降低。Notch信号的抑制通常降低了NOTCH3和JAG1的表达，Notch信号的激活显著增加了NOTCH3在合成和收缩VSMCs中的表达，以及JAG1在合成细胞中的表达，但NOTCH1和NOTCH2的表达不受Notch信号抑制和激活的影响。

此外，评估Notch信号对ECM产生的影响，发现与合成VSMCs相比，收缩型VSMCs显示更多的胶原I染色，COL1A1和COL3A1水平升高。与对照组相比，DAPT介导的Notch抑制通常导致所有研究的ECM组分的表达水平较低，相比之下，Jagged1介导的Notch激活增加了合成和收缩型VSMCs中所有研究的ECM组分的表达。图1 合成和收缩VSMCs的表征，以及Notch信号抑制和激活对VSMCs表型的影响。

接下来，为了确定应变对VSMC表型的影响，对合成和收缩型的VSMCs进行不同应变水平的机械拉伸（1 Hz，4%），发现收缩型VSMCs在αSMA染色水平和ACTA2表达水平降低，向合成表型转变，而合成型VSMCs的收缩特征不受应变的显著影响（图2）。施加应变时收缩型VSMCs中ACTA2表达的降低与施加的应变水平相关，而在合成型VSMCs中的表达水平未检测到与应变的显著相关性（图2 C）。

然后评估了应变对Notch通路关键信号分子的影响，发现NOTCH1和NOTCH2表达仅在收缩型VSMCs中对应变有反应，在施加应变时水平升高；NOTCH3和JAG1表达在两种VSMCs表型中都受到应变的影响，随着应变水平的增加而降低，这种降低在收缩型VSMCs中更明显。

此外，评估应变对合成和收缩型VSMCs的ECM生成的影响，发现只有合成VSMCs在ECM表达方面表现出对应变的反应。具体而言，合成型VSMCs中COL1A1、COL3A1、COL4A1和FN的表达水平随应变而降低，而收缩型VSMCs的表达水平与应变无显著相关性。

图2应变对VSMCs表型的影响。

为了阐明Notch信号在应变介导的VSMC表型变化中的作用，通过DAPT抑制Notch信号，并通过Jagged1配体激活Notch信号。实验观察到，合成型VSMCs的收缩特征在应变期间几乎没有受到Notch信号抑制的影响。此外，当Notch信号受到抑制时，收缩型VSMCs在αSMA含量和组织方面转向合成表型（图3 A）。在两种表型中，对照和DAPT处理的样本中检测到相似的ACTA2表达（图3 B、C）。另一方面，激活Notch增加了收缩标志物的表达，并在施加应变时部分挽救了收缩型VSMCs的收缩特征（图3 A）。此外，即使施加应变，在Notch激活的合成和收缩VSMCs中，ACTA2的表达普遍高于相应的对照和DAPT处理组（图3 C）。这表明Notch信号在应变介导的表型变化中的重要作用。

为了研究Notch信号在应变介导的Notch通路基因变化中的作用，评估了合成和收缩型VSMCs中的NOTCH1、NOTCH2、NOTCH3和JAG1水平。在两种表型中，NOTCH1和NOTCH2的表达仅受DAPT介导的Notch抑制和Jagged1介导的Notch激活的轻微影响。另一方面，拉伸过程中的Notch激活上调了NOTCH3和JAG1在合成和收缩型VSMCs中的表达。此外，在两种表型中，NOTCH3表达在对照组中受应变下调，在Notch激活后不随应变而降低，这与观察到Notch激活的收缩型VSMCs在拉伸过程中收缩特征的部分恢复一致。有趣的是，在Notch激活的合成和收缩型VSMCs中，JAG1表达仍随应变而降低，这与Notch激活的收缩VSMCs中ACTA2水平随应变而降低相关。

然后，评估了Notch信号在应变介导的ECM生成变化中的作用，发现与对照水平相比，拉伸过程中DAPT介导的Notch抑制几乎不影响合成和收缩型VSMCs的ECM表达。另一方面，Notch激活提高了两种表型中所有研究的ECM蛋白的表达水平。此外，在Notch激活的合成型VSMCs中，观察不到ECM表达的应变依赖性，特别是COL1A1、COL3A1和FN水平。

图3 Notch信号抑制和激活对应变介导的VSMC表型变化的影响。

图4 图形概要。（A）由内皮细胞（ECs）启动的Jagged1介导的Notch信号通过血管壁传播并决定血管平滑肌细胞（VSMCs）向收缩表型的分化。高Jagged1-Notch3活性导致VSMCs的收缩表型，低Jagged1-Notch活性与VSMCs的合成表型相关。（B）在这项研究中，发现Jagged1的诱导上调了NOTCH3和JAG1的表达，并增加了VSMCs的收缩特征。这表明Notch信号直接影响VSMC表型。（C）应变对收缩型VSMCs的施加下调了NOTCH3和JAG1的表达，并将收缩型VSMCs转向合成表型。（D）在应用应变过程中Jagged1的诱导部分挽救了VSMCs的收缩表型。因此，Notch信号在应变介导的VSMCs表型转化中起着重要作用。

综上所述，该研究结果证明了Notch信号在调节应变介导的VSMCs表型转化中的重要性。研究表明，通过利用Notch信号和应变之间的相互作用，可以（部分）控制VSMCs的命运，并强调了Notch信号是血管治疗和再生医学中的潜在靶点。然而，未来应进一步研究Notch信号在控制VSMC命运方面的剂量反应性以及不同受体在调节VSMC表型和血管重塑中的不同作用，以充分了解通过机械敏感Notch通路调节VSMC表型的机会和局限性。

参考文献：Karakaya C, van Turnhout MC, Visser VL, Ristori T, Bouten CVC, Sahlgren CM, Loerakker S. Notch signaling regulates strain-mediated phenotypic switching of vascular smooth muscle cells. Front Cell Dev Biol. 2022 Aug 12;10:910503. doi: 10.3389/fcell.2022.910503. PMID: 36036000; PMCID: PMC9412035.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36036000/

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