2024年3月29日，中国医学科学院阜外医院周洲/舒畅/罗明尧与北京大学王凯团队在Advanced Science上在线发表题为Single‐Nucleus Multiomic Analyses Identifies Gene Regulatory Dynamics of Phenotypic Modulation in Human Aneurysmal Aortic Root的研究论文。

该研究利用单细胞核多组学和空间转录组测序对来自相对健康和马凡氏综合症相关主动脉根部瘤患者的主动脉根部组织进行了联合数据挖掘。该研究系统揭示了人类主动脉根部组织中平滑肌细胞表型调节过程中的的转录动态和染色质可及性动态，并发现了驱动该过程可能的关键调控因子，如FOXN3、TEAD1、BACH1等。

研究背景

主动脉根部动脉瘤以无症状的主动脉根部扩张开始，随着时间的推移逐渐扩大，最终可能导致主动脉夹层或破裂。许多主动脉根动脉瘤病例与遗传综合征相关，如马凡氏综合征(MFS)，MFS是一种结缔组织疾病，虽然某些减缓主动脉生长的药物或预防性主动脉手术可以防止夹层进而提高MFS患者的寿命。但是，针对主动脉根部动脉瘤的有效靶向药物治疗仍然有限，部分原因是对病理生理变化背后的调控机制了解不完全。另外，迄今为止，对主动脉根动脉瘤发病机制的了解主要来自动物模型，MFS小鼠模型可能无法准确地模拟人类的病理生理变化。例如，MFS小鼠模型会产生主动脉动脉瘤，但动脉瘤很少发展到剥离或破裂程度。

样本分组

从马凡氏综合征（MFS）患者（n = 6）中收集了主动脉瘤根部组织。作为对照组，还收集了心脏移植受者（n = 6）的正常主动脉根部组织。

每组N=4:    10X Genomics Chromium 单核多组学测序

每组N=2：主动脉根部组织切片，Visium空间转录组测序

研究思路

研究结果
1. 健康对照和MFS患者主动脉根部组织各细胞类型特异性转录表达谱和顺式调节谱

利用单细胞核多组学数据，本研究在人体主动脉根部鉴定出了细胞类型特异的基因表达和染色质开放性。然后，鉴定了在每个谱系中特异性开放的cCREs（顺式调控元件）中富集的转录因子（TF）结合位点。

2. 马凡综合征中与对照组相比细胞成分的改变和细胞类型分辨率下的调控变化

这两组在细胞类型组成方面表现出整体上的高度相似性，然而，与对照组相比，MFS样本中的VSMC2群显著增加，反映出其与MFS的关联性。差异表达基因和差异可及的cCREs分析显示，在疾病组中VSMCs中上调的DEGs富集功能与VSMC去分化或表型转变相关，如血管发育、细胞分化、细胞外基质重塑和TGFβ受体信号通路。在MFS条件下，VSMCs中可及性改变的cCREs的功能富集分析总体上与DEGs一致。本研究还检测到了转录因子结合基序的活性显著改变。

3. 人主动脉根部vsmc表型转变过程中的转录和调控动态

高度可塑性的VSMC表型谱，包括三个亚群。本研究表明VSMC1代表了一种收缩型VSMC表型。VSMC2表达高水平的调节型VSMCs的标志基因（COL8A1和SERPINE1）VSMC3也表达调节型VSMCs的标志基因（如COL8A1），但两类细胞亚型表达谱有所不同。VSMCs的拟时序分析显示，VSMC1和VSMC3可能代表两个极端。通过单分子荧光原位杂交（smFISH），确认了这两个亚群在人体主动脉根部组织中空间分布上的差异。正如预期，在MFS患者中，与CTRL条件相比，收缩型VSMC1细胞的相对比例减少，而调节型VSMC2细胞的比例增加。此外，本研究描绘了细胞基因表达和cCREs可及性在拟时间轴中的动态变化，这些基因或cCRE的功能富集分析表明，拟时间分析再现了VSMCs从收缩表型向合成表型的表型转换过程，同时这个过程伴随着细胞增殖和迁移的增加。

4.筛选可能驱动VSMCs表型的调节以及主动脉根动脉瘤的发病的关键调节因子

为了识别驱动VSMCs病理表型变化相关的潜在关键调控因子，本研究进行了单细胞加权基因共表达网络分析（scWGCNA）。在VSMCs中鉴定了9个基因共表达模块，检测到了在MFS中表达显著变化的两个主要模块：模块M7和M9，UMAP投影中的表达分布显示，表达模块M7的VSMCs与收缩亚群VSMC1重叠，而表达模块M9的VSMCs通常与调节亚群VSMC2和VSMC3重叠，与此一致，M7的主要核心基因包括前文中发现的收缩性VSMCs的标志物（例如RYR2），而M9的主要核心基因包括调节性VSMCs的标志物。M7和M9的核心转录因子（TFs）包括在拟时间上动态表达的TFs，例如BACH2、FOXN3和TEAD1。

接下来，本研究通过整合多方面证据，包括转录因子（TF）基因表达显著差异、TF结合基序活性在不同条件下的差异，以及拟时间排序结果等筛选获得了11个TF。

5. 主动脉根部中膜血管平滑肌细胞的空间转录组表达谱

由于机械负荷和细胞微环境等因素的差异，血管平滑肌细胞（VSMC）在主动脉壁中可能表现出表达差异。通过无监督聚类，检测到了九个空间分群。根据它们的表达特征，对这些分群进行了主要细胞类型的注释。这些群在中膜从外层（外膜侧）到内层（内膜侧）具有径向分布特征。利用Seurat的标签转移工作流，整合单细胞空间数据，并在组织切片中空间位置上确认了这三个VSMC子簇。收缩型子簇VSMC1主要位于中膜的外层，而VSMC2和VSMC3则主要位于内层。如预期的那样，与对照组相比，MFS样本中SC1群的相对比例增加，而SC0和SC4减少。FOXN3的调节活性在中膜的外层特别高，而TEAD1的调节活性在内层特别高，反映了这两个调控因子与不同VSMC表型的关联。，对VSMC空间分群（SC4、SC0和SC1）进行了轨迹分析。揭示了VSMC在中膜从外层到内层的表达动态，代表性marker（如MYH11）和候选关键调控因子（如FOXN3）沿伪空间动态表达，从而确认了单核数据分析的结果。总体而言，空间转录组表明，受调节的VSMC不仅与疾病状态（即MFS中相对比例增加）相关，而且与空间位置（即中膜的内层）相关。

6. FOXN3可能通过靶向ACTA2启动子来作为维持人主动脉血管平滑肌细胞收缩表型的关键调节因子。

本研究通过体外表征实验、siRNA介导的FOXN3敲低实验、腺病毒介导的FOXN3过表达实验以及全转录组测序分析，证明了FOXN3 可能通过作用于 ACTA2 启动子，作为维持人体主动脉血管平滑肌细胞收缩表型的关键调控因子，因此可能成为治疗主动脉瘤的潜在治疗靶点。