中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所荊清研究組在三月份當(dāng)期的國際心血管領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (ATVB)正式發(fā)表了題為“Single-Cell Transcriptome Analysis Reveals Embryonic Endothelial Heterogeneity at Spatiotemporal Level and Multifunctions of MicroRNA-126 in Mice”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)在小鼠胚胎發(fā)育14.5天，血管內(nèi)皮細胞在轉(zhuǎn)錄水平已表現(xiàn)出組織或器官間的差異，并報道了MicroRNA-126（miR-126）對血管內(nèi)皮細胞異質(zhì)性的穩(wěn)態(tài)維持是不可或缺的關(guān)鍵調(diào)控因子。同期，還刊發(fā)了5頁述評文章（Editorial），由多倫多大學(xué)Jason E. Fish教授主筆，題為“MicroRNA-Based Regulation of Embryonic Endothelial Cell Heterogeneity at Single-Cell Resolution”，對該研究進行了高度概括和評價。
心血管系統(tǒng)中，細胞的異質(zhì)性是不可或缺的一種特性。位于血管最內(nèi)層的內(nèi)皮細胞 (Endothelial Cells, ECs) 為適應(yīng)各器官的不同生理需求，在表型和功能上會進行微調(diào)。因此，盡管所有內(nèi)皮細胞共同起源于中胚層且具有相同的泛內(nèi)皮功能，但由于動靜脈差異以及所處器官微環(huán)境的不同，導(dǎo)致其在分子水平、細胞水平和生理功能上均表現(xiàn)出明顯差異。早在胚胎發(fā)育期，內(nèi)皮細胞的異質(zhì)性就已經(jīng)確立，并隨著各發(fā)育階段逐漸調(diào)整和強化。同時在病理條件下，這種異質(zhì)性也可能會發(fā)生改變。然而，內(nèi)皮細胞異質(zhì)性建立和維持的機制并不完全清楚。
荊清研究員團隊通過流式細胞分選富集胚胎發(fā)育E14.5天的全組織內(nèi)皮細胞（CD31+CDH5+&CD45-），并借助10X Genomics單細胞測序平臺，獲得約12000個內(nèi)皮單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)該時期內(nèi)皮細胞可以分為11個亞群，包括各組織和器官來源的微血管內(nèi)皮細胞亞群、大脈管（動脈，靜脈以及淋巴管）來源的內(nèi)皮細胞亞群以及處于間充質(zhì)轉(zhuǎn)化階段的內(nèi)皮細胞亞群。為進一步明確胚胎期與成年期內(nèi)皮細胞在單細胞轉(zhuǎn)錄組水平的差異，研究團隊將獲得的E14.5天全胚胎內(nèi)皮單細胞數(shù)據(jù)與已有的成年期各器官和組織內(nèi)皮單細胞數(shù)據(jù)進行整合并作對比分析，發(fā)現(xiàn)處于增殖狀態(tài)的內(nèi)皮細胞亞群占比在胚胎期明顯高于成年期，這提示胚胎期內(nèi)皮細胞具有更高的分化潛能。隨后，為探究miRNA調(diào)控內(nèi)皮細胞異質(zhì)性穩(wěn)態(tài)維持的作用機制，研究者構(gòu)建了內(nèi)皮細胞特異敲除miR-126（miR-126-ecKO）小鼠，并通過上述建庫策略獲得約5000個miR-126敲除的內(nèi)皮單細胞數(shù)據(jù)。通過對比分析，研究者發(fā)現(xiàn)3個內(nèi)皮細胞亞群（肝臟、間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和肺臟來源的內(nèi)皮細胞）在miR-126敲除后出現(xiàn)明顯紊亂。進一步，研究團隊通過對影響最為明顯的肝臟內(nèi)皮細胞亞群和間充質(zhì)化內(nèi)皮細胞亞群進行深入分析，發(fā)現(xiàn)miR-126對不同組織或器官來源的內(nèi)皮細胞的功能影響存在差異。其中，Gene Ontology (GO)分析結(jié)果表明，對肝臟內(nèi)皮的影響主要是低氧應(yīng)激以及糖代謝通路上調(diào)。Masson染色結(jié)果表明miR-126-ecKO小鼠肝臟纖維化加劇。糖耐受和丙酮酸耐受實驗結(jié)果表明miR-126-ecKO小鼠血糖調(diào)節(jié)失衡。另一方面，間充質(zhì)化和肺臟來源的內(nèi)皮細胞亞群在缺失miR-126后，血管間充質(zhì)化和鈣化相關(guān)分子通路明顯上調(diào)，茜素紅染色結(jié)果表明miR-126-ecKO小鼠肺臟和腦部微血管鈣鹽沉積明顯。接下來，研究團隊對miR-126調(diào)控小鼠血糖代謝的分子機制進行了初步探究，通過免疫熒光和免疫蛋白印跡實驗證實miR-126靶向低氧誘導(dǎo)因子HIF1A，抑制HIF1A-GLUT1信號通路激活。隨后，研究團隊通過腹腔注射agomir功能性回補miR-126，發(fā)現(xiàn)能夠明顯回復(fù)miR-126-ecKO小鼠血糖不耐受表型。綜上所述，該項研究證實內(nèi)皮細胞在胚胎發(fā)育期已表現(xiàn)出器官或組織間的異質(zhì)性并首次在單細胞水平證明miR-126對小鼠內(nèi)皮細胞異質(zhì)的穩(wěn)態(tài)維持是不可或缺的。
MicroRNA對某一類型細胞的調(diào)控作用主要取決于靶基因及其相關(guān)信號通路。由于不同組織或器官來源的內(nèi)皮細胞在轉(zhuǎn)錄水平存在異質(zhì)性，miR-126在不同內(nèi)皮細胞亞群中主要調(diào)控的靶基因及相關(guān)信號通路存在差異。在整體水平表現(xiàn)為敲除miR-126導(dǎo)致各組織或器官的病理表型存在差異，如肝臟組織主要表現(xiàn)為纖維化加劇，肺臟以及腦部微血管主要為鈣化嚴(yán)重，而整體上主要為低氧應(yīng)激加劇，細胞過度凋亡和血糖不耐受。評述作者Jason E. Fish認為荊清教授團隊的研究工作拓展了大家對miR-126調(diào)控作用具有組織或器官特異性這一概念的認知深度。
中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所的郭方浩和關(guān)亞娜為共同第一作者，荊清研究員為本文的通訊作者。上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院心內(nèi)科陳豐原教授和南京醫(yī)科大學(xué)季勇教授為該研究工作提供了大力支持。該研究得到了科技部及國家自然科學(xué)基金委等項目的資助，同時也得到了中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所公共技術(shù)平臺和動物平臺的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1161/atvbaha.121.317093
評述鏈接：https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/ATVBAHA.122.317400
圖：血管內(nèi)皮細胞在胚胎期14.5天已表現(xiàn)出異質(zhì)性且MircoRNA-126積極參與內(nèi)皮細胞異質(zhì)性的穩(wěn)態(tài)維持
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