营养与健康所荆清研究组揭示血管内皮细胞时空异质性和MicroRNA-126维持内皮细胞异质性稳态的作用机制

　　

　　中国科学院上海营养与健康研究所荆清研究组在三月份当期的国际心血管领域专业期刊Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (ATVB) 正式发表了题为 “Single-Cell Transcriptome Analysis Reveals Embryonic Endothelial Heterogeneity at Spatiotemporal Level and Multifunctions of MicroRNA-126 in Mice” 的研究论文。该研究发现在小鼠胚胎发育14.5天，血管内皮细胞在转录水平已表现出组织或器官间的差异，并报道了MicroRNA-126 (miR-126)对血管内皮细胞异质性的稳态维持是不可或缺的关键调控因子。同期，还刊发了5页述评文章(Editorial)，由多伦多大学Jason E. Fish教授主笔，题为“MicroRNA-Based Regulation of Embryonic Endothelial Cell Heterogeneity at Single-Cell Resolution”，对该研究进行了高度概括和评价。

　　心血管系统中，细胞的异质性是不可或缺的一种特性。位于血管最内层的内皮细胞 (Endothelial Cells, ECs) 为适应各器官的不同生理需求，在表型和功能上会进行微调。因此，尽管所有内皮细胞共同起源于中胚层且具有相同的泛内皮功能，但由于动静脉差异以及所处器官微环境的不同，导致其在分子水平、细胞水平和生理功能上均表现出明显差异。早在胚胎发育期，内皮细胞的异质性就已经确立，并随着各发育阶段逐渐调整和强化。同时在病理条件下，这种异质性也可能会发生改变。然而，内皮细胞异质性建立和维持的机制并不完全清楚。

　　荆清研究员团队通过流式细胞分选富集胚胎发育E14.5天的全组织内皮细胞（CD31+CDH5+&CD45-），并借助10X Genomics单细胞测序平台，获得约12000个内皮单细胞转录组数据。通过聚类分析发现该时期内皮细胞可以分为11个亚群，包括各组织和器官来源的微血管内皮细胞亚群、大脉管（动脉，静脉以及淋巴管）来源的内皮细胞亚群以及处于间充质转化阶段的内皮细胞亚群。为进一步明确胚胎期与成年期内皮细胞在单细胞转录组水平的差异，研究团队将获得的E14.5天全胚胎内皮单细胞数据与已有的成年期各器官和组织内皮单细胞数据进行整合并作对比分析，发现处于增殖状态的内皮细胞亚群占比在胚胎期明显高于成年期，这提示胚胎期内皮细胞具有更高的分化潜能。随后，为探究miRNA调控内皮细胞异质性稳态维持的作用机制，研究者构建了内皮细胞特异敲除miR-126(miR-126-ecKO)小鼠，并通过上述建库策略获得约5000个miR-126敲除的内皮单细胞数据。通过对比分析，研究者发现3个内皮细胞亚群（肝脏、间充质转化和肺脏来源的内皮细胞）在miR-126敲除后出现明显紊乱。进一步，研究团队通过对影响最为明显的肝脏内皮细胞亚群和间充质化内皮细胞亚群进行深入分析，发现miR-126对不同组织或器官来源的内皮细胞的功能影响存在差异。其中，Gene Ontology (GO)分析结果表明，对肝脏内皮的影响主要是低氧应激以及糖代谢通路上调。Masson染色结果表明miR-126-ecKO小鼠肝脏纤维化加剧。糖耐受和丙酮酸耐受实验结果表明miR-126-ecKO小鼠血糖调节失衡。另一方面，间充质化和肺脏来源的内皮细胞亚群在缺失miR-126后，血管间充质化和钙化相关分子通路明显上调，茜素红染色结果表明miR-126-ecKO小鼠肺脏和脑部微血管钙盐沉积明显。接下来，研究团队对miR-126调控小鼠血糖代谢的分子机制进行了初步探究，通过免疫荧光和免疫蛋白印迹实验证实miR-126靶向低氧诱导因子HIF1A，抑制HIF1A-GLUT1信号通路激活。随后，研究团队通过腹腔注射agomir功能性回补miR-126，发现能够明显回复miR-126-ecKO小鼠血糖不耐受表型。综上所述，该项研究证实内皮细胞在胚胎发育期已表现出器官或组织间的异质性并首次在单细胞水平证明miR-126对小鼠内皮细胞异质的稳态维持是不可或缺的。

　　MicroRNA对某一类型细胞的调控作用主要取决于靶基因及其相关信号通路。由于不同组织或器官来源的内皮细胞在转录水平存在异质性，miR-126在不同内皮细胞亚群中主要调控的靶基因及相关信号通路存在差异。在整体水平表现为敲除miR-126导致各组织或器官的病理表型存在差异，如肝脏组织主要表现为纤维化加剧，肺脏以及脑部微血管主要为钙化严重，而整体上主要为低氧应激加剧，细胞过度凋亡和血糖不耐受。评述作者Jason E. Fish认为荆清教授团队的研究工作拓展了大家对miR-126调控作用具有组织或器官特异性这一概念的认知深度。

　　中国科学院上海营养与健康研究所的郭方浩和关亚娜为共同第一作者，荆清研究员为本文的通讯作者。上海交通大学附属新华医院心内科陈丰原教授和南京医科大学季勇教授为该研究工作提供了大力支持。该研究得到了科技部及国家自然科学基金委等项目的资助，同时也得到了中国科学院上海营养与健康研究所公共技术平台和动物平台的支持。

　　原文链接：https://doi.org/10.1161/atvbaha.121.317093

　　评述链接：https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/ATVBAHA.122.317400

图：血管内皮细胞在胚胎期14.5天已表现出异质性且MircoRNA-126积极参与内皮细胞异质性的稳态维持