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血流扰动致血管内皮损伤的新机制及保护内皮的小分子化合物

动脉粥样硬化的病灶性质表明局部血流动力学微环境在动脉粥样硬化中的关键作用。在动脉分支和弯曲处具有低而往复的剪切应力(振荡剪切,OS)的扰动上调血管内皮细胞 (EC) 中的促炎分子,从而诱导吸引循环单核细胞黏附、浸润入动脉壁,平滑肌细胞活化、迁移至内皮下,启动动脉粥样硬化发生。相比之下,在大动脉长直部具有高且单向剪切应力(脉冲剪切,PS)的规则层流对血管系统具有抗炎和动脉粥样硬化保护作用。



在出现任何功能性结果之前,ECs 中由扰流与层流引起的不同基因表达模式和表型就会出现,并且它们被认为是动脉粥样硬化或抗动脉粥样硬化得内皮细胞标志。系统地了解内皮细胞致动脉粥样硬化表型、基因表达和药物作用之间的功能联系,有助于有效地筛选抗动脉粥样硬化药物。

脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶-1/氧化还原因子-1(人类的 APEX1 和小鼠的 Apex1),能够在 DNA 的无嘌呤/无嘧啶位点切割并激活许多转录因子的 DNA 结合活性,与血管 EC 功能的调节有关。然而,APEX1 是否在内皮表型的血流动力学调节中起作用仍有待确定。现有证据表明,APEX1 在内皮功能的调节中起着复杂的作用。尽管它很重要,但人们对 APEX1 在扰动流诱导的内皮炎症和动脉粥样硬化中的确切作用知之甚少。

基于此,北京大学基础医学院周菁课题组在《美国国家科学院院刊》发表了相关研究成果。通过使用基于 CMap 的计算系统生物学方法来搜索可产生与 PS 与 OS 诱导的基因特征相似的化合物,最终确定了牡荆素(vitexin),一种从山楂叶中分离的天然黄酮类化合物,它可以大大降低内皮细胞的促炎反应。该研究指出了脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶-1 (APEX1/Ref-1) 作为流体剪切力响应分子在血流扰动诱导的内皮细胞炎症反应及动脉粥样硬化发生中具有重要作用。


血流扰动致血管内皮损伤的新机制及保护内皮的小分子化合物


人脐静脉 ECs (HUVECs) 在四个时间段内经受 PS (12 ± 4 dyn/cm 2 , 1 Hz) 或 OS (0.5 ± 4 dyn/cm 2 , 1 Hz) (1、4、12 和 24 小时)。使用 CMap 数据库分析剪切 24h 后细胞的测序数据,分析基因表达的相似程度,在 7056 个处理结果中寻找可以模拟 PS 与 OS 效应的生物活性化合物。

首先,该研究通过使用具有 EC-特异性 Apex1 缺失和管腔内 APEX1 过表达的小鼠,支持内皮细胞 Apex1 在血管内皮功能的流量调节中发挥促动脉粥样硬化作用而非抗动脉粥样硬化作用的观点。研究人员发现 APEX1 在扰动流下具有促进血管内皮动脉粥样硬化表型的作用。从机制上讲,研究发现 OS 诱导的促炎分子(SELE、VCAM1 和 ICAM1)的表达是由 APEX1 通过 NF-κB 通路介导的。这表明 APEX1 介导的内皮细胞炎症和功能障碍是受干扰的血流刺激的动脉粥样硬化性内皮细胞中重要的病理生理特征和机制。

通过使用基于 CMap 的药物筛选和表达谱,实验证明了牡荆素对剪切敏感基因表达的影响。随后的研究表明,牡荆素减轻内皮细胞对 OS 和促炎细胞因子 TNF-α 的促炎反应。此外,牡荆素的体内给药减弱了受扰流诱导的新内膜形成和动脉粥样硬化。有报道称,牡荆素可抑制 ECs 中促炎细胞因子和 ROS 的产生,以及牡荆素在防止心肌功能障碍包括心肌肥厚、心肌梗塞和缺血/再灌注损伤中的应用,但这些研究没有确定牡荆素直接靶向的分子,也没有确定其在内皮细胞中的综合机制途径。因此该研究在报告牡荆素的抗动脉粥样硬化作用方面是独一无二的。

此外,研究结果通过利用靶标参与测定 (CETSA) 结合生物物理表征 (SPR) 将牡荆素鉴定为 ECs 中 APEX1 的直接抑制剂。使用 CETSA,发现添加牡荆素可以稳定 APEX1 的热诱导聚集。应用 SPR 测定法对牡荆素与 APEX1 的相互作用进行动力学分析。SPR 方法还用于验证已建立的 APEX1 抑制化合物 E3330 的作用,结果证明 E3330 与 APEX1 之间存在相互作用。药理表征将牡荆素的内皮保护活性与 APEX1 的促炎作用联系起来,从而为牡荆素在动脉粥样硬化抗炎治疗中的应用提供了理论基础。

该研究的另一个主要发现是证明 OS 和 TNF-α 诱导 APEX1 的核易位,这种诱导很可能是通过增强乙酰转移酶 p300 与 APEX1 的结合而导致其乙酰化。

实验表明,牡荆素可能会破坏 p300 和 APEX1 之间的关联,以及随后的乙酰化和核易位。值得注意的是,已经在肺成纤维细胞和肺腺癌细胞中发现了乙酰化 APEX1 的专属核积聚。在肾细胞中,用组蛋白去乙酰化酶抑制剂曲古抑菌素 A 处理导致 APEX1 的核易位至细胞质。

尽管 ECs 中剪切应力的机械转导仍未完全了解,但 p300 被证明是一种机械敏感蛋白,因为 ECs 中已显示其磷酸化或乙酰转移酶活性的剪切调节变化。该研究通过表明 OS(与 PS 相比)提高 p300 磷酸化水平并促进其与 ECs 中的 APEX1 的结合,解决了 p300 是否以及如何响应不同剪切模式的问题。然而,OS 也有可能通过不依赖 p300 的途径促进 APEX1 乙酰化,因为已经发现 APEX1 和 HDAC1 之间的直接相互作用。

总之,该结果表明,牡荆素对内皮细胞 APEX1 的抑制是一种抗炎疗法,其靶向受干扰的血流诱导的动脉粥样硬化 EC 表型和相关的动脉粥样硬化形成。研究人员提出了一种机制,即扰动剪切应力促进 p300 的磷酸化以诱导其与 APEX1 结合导致 APEX1 乙酰化,并且乙酰化的 APEX1 与 p50 和 p65 NF-κB 形成复合物,易位到细胞核中,并促进 NF -κB 信号激活促炎分子的表达。这种机制表明 APEX1 在通过血流动力学调节内皮功能/功能障碍方面发挥着关键作用。


该实验已经证明了牡荆素对血管系统的抗炎作用,并将 APEX-1 确定为它在 EC 内的直接靶向分子之一。进一步研究发现牡荆素的多个潜在直接靶点和 APEX1 下游的功能通路,可能会提供有价值的药理学认识,并验证牡荆素作为一种预防动脉硬化性心血管疾病的药物。



参考文献:Zhao CR, Yang FF, Cui Q, Wang D, Zhou Y, Li YS, Zhang YP, Tang RZ, Yao WJ, Wang X, Pang W, Zhao JN, Jiang ZT, Zhu JJ, Chien S, Zhou J. Vitexin inhibits APEX1 to counteract the flow-induced endothelial inflammation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Nov 30;118(48):e2115158118. doi: 10.1073/pnas.2115158118. PMID: 34810252.
原文链接:https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/34810252/




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