单细胞RNA测序分析揭示了成纤维细胞在Hutchinson-Gilford早衰综合征小鼠主动脉早衰相关血管重塑中的关键作用

《Frontiers in Immunology》：Single-cell RNA sequencing analysis reveals the critical role of fibroblasts in aortic progeria-associated vascular remodeling in Hutchinson-Gilford progeria syndrome mice

Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) mice exhibit accelerated aortic aging with fibroblast介导 chronic inflammation and fibrosis. Single-cell RNA sequencing reveals nine fibroblast subclusters with distinct transcriptional signatures, increased SASP scores, and enhanced communication with dysfunctional VSMCs. Lgals3bp upregulation in HGPS fibroblasts promotes pro-inflammatory (Vcam1, Cxcl12) and pro-fibrotic (Tgfb1, Timp1) gene expression. Fibroblast subpopulation dynamics and intercellular communication networks highlight their central role in HGPS aortic pathogenesis.

　　在本研究中，科学家们探讨了 Hutchinson-Gilford 老年早衰综合征（HGPS）小鼠的主动脉老化过程，重点分析了成纤维细胞在其中所扮演的角色。HGPS 是一种罕见的遗传性疾病，由 LMNA 基因突变导致，表现为加速衰老和早逝。患者通常在青少年时期因心血管疾病而死亡，而主动脉的病理变化是导致这一结果的关键因素之一。研究指出，HGPS 患者主动脉出现血管纤维化、细胞外基质（ECM）积累以及血管平滑肌细胞（VSMCs）的丧失，这些现象最终会引发动脉粥样硬化。尽管已有研究关注了内皮细胞（ECs）和 VSMCs 在 HGPS 中的功能障碍，但关于成纤维细胞的具体作用及其机制仍不明确。

成纤维细胞在血管中承担着 ECM 的生成和调控功能，它们的异常可能加剧动脉粥样硬化的进程。研究发现，成纤维细胞在 HGPS 小鼠的主动脉中表现出与 ECM 调控和炎症反应相关的基因表达改变，同时伴随着细胞衰老相关分泌表型（SASP）评分的显著升高。这种变化可能反映了成纤维细胞在主动脉老化中的重要角色，尤其是在促进慢性炎症和纤维化方面。此外，研究还发现成纤维细胞与其他细胞类型之间存在高度的细胞间通讯，特别是与功能失调的 VSMCs 之间的互动最为频繁和强烈。这种互动可能通过特定的配体-受体对（如胶原蛋白家族的 syndecan 受体和 FN1-整合素受体）进行调控，并且在 SASP 相关的信号通路中，如胶原蛋白和 TGF-β 通路，显示出显著的上调。

进一步的分析表明，成纤维细胞在 HGPS 小鼠的主动脉中可以被细分为九个不同的亚群，每个亚群都具有独特的转录特征、发育轨迹和细胞间通信模式。例如，Fib3 亚群与有毒物质的反应、p53 介导的内在凋亡和 DNA 损伤应答相关，这可能意味着其在应对氧化应激和细胞周期停滞中的作用。而 Fib9 亚群则与抗病毒防御和干扰素-β反应相关，可能在炎症反应中发挥重要作用。这些发现揭示了成纤维细胞在 HGPS 主动脉老化中的复杂性和多样性。

研究还发现，Lgals3bp 基因在 HGPS 小鼠的主动脉成纤维细胞中显著上调，这可能与其在炎症和纤维化中的作用有关。在 HGPS 模型中，Lgals3bp 的表达不仅影响成纤维细胞本身，还可能通过调节 TGF-β 信号通路，促进炎症因子和纤维化相关基因的表达。为了验证这一假设，研究者通过敲低 Lgals3bp，观察其对 HGPS 成纤维细胞的影响。结果显示，Lgals3bp 的减少显著降低了炎症因子和纤维化相关基因的表达水平，表明该基因在调控这些病理过程中的关键作用。

在讨论部分，研究者强调了成纤维细胞在 HGPS 主动脉老化中的重要性。他们的发现表明，HGPS 主动脉成纤维细胞的转录组变化与自然衰老过程中的某些特征相似，例如 ECM 组织的重塑、慢性炎症和细胞通讯网络的改变。这些变化可能在 HGPS 的病理过程中起着重要作用，但同时也需要进一步的研究来明确其具体机制。此外，研究者还指出，虽然他们的研究提供了关于成纤维细胞在主动脉老化中的作用的重要见解，但仍存在一些局限性，例如单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）在分析细胞间通讯时可能忽略空间信息，这可能影响对组织功能的理解。因此，未来的研究可以考虑结合空间转录组技术，以更全面地解析 HGPS 主动脉病理的复杂性。

研究方法部分详细描述了实验设计和数据分析流程。实验使用了 HGPS 小鼠模型，这些小鼠在 14 周龄时表现出典型的血管老化特征，如主动脉中层厚度增加、中层与腔径比升高、胶原蛋白和弹性蛋白的异常积累以及 VSMCs 的减少。这些特征通过组织学分析（如 H&E、VVG 和 Masson’s 三色染色）和免疫组织化学（IHC）检测得以验证。此外，研究还利用了 scRNA-seq 技术对 HGPS 和野生型（WT）小鼠的主动脉组织进行分析，通过降维和聚类算法识别了十种主要的细胞类型，并进一步细分了成纤维细胞为九个亚群。

为了更深入地理解成纤维细胞的分子特征和功能变化，研究者进行了基因本体（GO）富集分析，揭示了不同成纤维细胞亚群在 ECM 组织、炎症反应和细胞分化等方面的功能差异。同时，通过 CytoTRACE 和 Monocle 3 的伪时间轨迹分析，研究者评估了成纤维细胞的发育潜力和分化状态，发现 Fib6 在所有亚群中表现出最低的 CytoTRACE 分数，表明其处于未分化状态，而 Fib8 则表现出较高的分化成熟度。这些发现进一步支持了成纤维细胞在 HGPS 主动脉老化中的关键作用。

此外，研究者还分析了细胞间通讯网络，发现 HGPS 小鼠的主动脉成纤维细胞与功能失调的 VSMCs 之间的通讯频率和强度显著增加，这可能加剧 VSMCs 的功能障碍。Lgals3bp 的上调不仅促进了成纤维细胞的炎症和纤维化反应，还可能通过影响其他细胞类型，如内皮细胞和巨噬细胞，进一步推动主动脉病理的发展。为了验证这一机制，研究者使用了 NIH3T3 细胞模型，通过过表达 progerin 和敲低 Lgals3bp，观察到相关炎症因子和纤维化基因的表达变化，从而支持了 Lgals3bp 在 HGPS 病理中的重要性。

综上所述，这项研究为理解 HGPS 主动脉老化和相关病理变化提供了新的视角。成纤维细胞不仅在 ECM 调控和炎症反应中起着关键作用，还可能通过细胞间通讯网络影响其他细胞类型的功能。Lgals3bp 的上调与炎症和纤维化密切相关，提示其可能是治疗 HGPS 主动脉病变的潜在靶点。未来的研究可以进一步探索 Lgals3bp 在 HGPS 中的具体作用机制，以及其在自然衰老中的潜在应用价值。