DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51780-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39187565
تاريخ النشر: 2024-08-26
المؤلف: Niranjana Natarajan وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنترفيرون واستجابات المناعة
نظرة عامة
تستكشف هذه الفقرة من ورقة البحث دور تخليق الحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) في وظيفة البلعميات وآثاره على علم الأمراض المرتبط بتصلب الشرايين. يقدم المؤلفون أدلة على أن جزيء التصاق الخلايا الوعائية 1 (VCAM-1) ينشط عامل النسخ C/EBPα في البلعميات داخل لويحات تصلب الشرايين، مما يؤدي إلى زيادة التعبير عن جينات تكوين الميتوكوندريا، وبالتحديد Cmpk2 وPgc1a. تعزز هذه العملية تخليق mtDNA، مما ينشط لاحقًا مسارات الالتهاب المعتمدة على STING. توضح الدراسة أن تصلب الشرايين والالتهاب أقل وضوحًا في الفئران Apoe -/- التي تفتقر إلى VCAM-1 في البلعميات، وأن تقليل التعبير عن VCAM-1 الخاص بالبلعميات يقلل من التعبير عن مكونات إشارات STING الرئيسية.
بالإضافة إلى ذلك، يذكر المؤلفون وجود علاقة بين تعبير VCAM-1 في بلعميات لويحات الشريان السباتي البشرية ومدى منطقة النواة النخرية، وحجم الميتوكوندريا، والأضرار الناتجة عن الأكسدة في الحمض النووي. تؤكد هذه النتائج الدور الحاسم لـ VCAM-1 في البلعميات في دفع الالتهاب وتكوين تصلب الشرايين، مما يشير إلى حلقة تغذية راجعة متسارعة تتضمن زيادة تخليق mtDNA. تبرز الأبحاث الآثار الأوسع لعملية الأيض الخلوي في تنظيم وظائف خلايا المناعة ودورها المحتمل غير التقليدي في عمليات بيولوجية متنوعة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التزمنا بالمعايير الأخلاقية المعتمدة من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات في جامعة بيتسبرغ. استخدمنا فئرانًا تتراوح أعمارها بين عشرة إلى اثني عشر أسبوعًا، والتي خضعت لنظام غذائي مسبب لتصلب الشرايين يتكون من 21% دهون الحليب و0.2% كوليسترول لمدة 16 أسبوعًا قبل أن يتم التضحية بها. تم جمع نخاع العظام لتحليل التدفق الخلوي وزراعة البلعميات المشتقة من نخاع العظام (BMDM)، بينما تم جمع عينات من الطحال والدم أيضًا لتحليل التدفق الخلوي. تم استئصال الشرايين الأورطية لإجراء تقييمات إضافية باستخدام التدفق الخلوي والتصوير المناعي. تم تضمين ضوابط من نفس العمر في جميع الإعدادات التجريبية.
ركز التحليل على التغير في التعبير النسبي في البلعميات الأورطية بين نوعين وراثيين: LyzM cre/+ Vcam1 fl/fl وLyzM +/+ Vcam1 fl/fl. تم تقييم الأهمية الإحصائية من خلال قيم p، حيث أظهرت عدة جينات مثل Nid1 وWisp2 وFcor تغييرات ملحوظة في التعبير. أشارت النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في مستويات التعبير النسبي عبر ظروف مختلفة، بما في ذلك مقارنات بين البروتينات الدهنية منخفضة الكثافة (LDL) الأصلية والم Oxidized بالتزامن مع علاجات siRNA تستهدف جينات معينة. تؤكد النتائج الدور المعقد لهذه الجينات في سلوك البلعميات وتقدم تصلب الشرايين.
النتائج
تشير النتائج إلى وجود علاقة كبيرة بين تعبير VCAM-1 في البلعميات وحجم الميتوكوندريا والإجهاد التأكسدي في لويحات تصلب الشرايين. وُجد أن VCAM-1، وهو جزيء التصاق بطبيعته، يتم التعبير عنه بشكل كبير في البلعميات داخل لويحات تصلب الشرايين السباتية المبكرة والمتقدمة مقارنةً بالأنسجة الشريانية الصحية. تم تأكيد هذا التعبير من خلال تحليلات مجموعات البيانات المنشورة والدراسات الخلوية الفردية التي تكشف عن مستويات عالية من Itga4 وItgb1، اللذان يشفران جزيء VCAM-1 VLA-4، في مجموعات فرعية مختلفة من البلعميات. ومن الملاحظ أن علامات الإجهاد التأكسدي، مثل 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8-OHdG)، كانت مرتفعة في البلعميات المصابة بتصلب الشرايين، مع وجود علاقة إيجابية بين تعبير VCAM-1 وكلاً من TOM20، وهو علامة ميتوكوندريا، ومستويات 8-OHdG.
أظهر التحليل الإضافي أن منطقة النواة النخرية في اللويحات كانت مرتبطة أيضًا بشكل إيجابي بتعبير VCAM-1 وTOM20 و8-OHdG. في نماذج الفئران، زاد النظام الغذائي المسبب لتصلب الشرايين من مستويات VCAM-1 وTOM20 في البلعميات، بينما كشفت تسلسلات RNA الضخمة للبلعميات المصنفة VCAM-1+ وVCAM-1- عن إثراء للجينات المرتبطة بتنشيط البلعميات والتمايز في مجموعة VCAM-1+. بالإضافة إلى ذلك، تم تنظيم المنظمات العليا الحاسمة لتكوين تصلب الشرايين، مثل IL10RA وMAFB، في البلعميات VCAM-1+، التي أظهرت أيضًا مستويات أعلى بكثير من أنواع الأكسجين التفاعلية الميتوكوندرية (mtROS) مقارنةً بنظيراتها VCAM-1-.
المناقشة
تستكشف الأبحاث دور VCAM-1 في البلعميات في تعزيز الالتهاب وتصلب الشرايين. باستخدام نموذج الفأر مع حذف VCAM-1 الخاص بالبلعميات على خلفية Apoe -/-, تكشف الدراسة أن هذه الفئران تظهر عبئًا أقل من تصلب الشرايين، يتميز بلويحات أصغر ونوى نخرية، دون تغييرات كبيرة في مستويات الكوليسترول في المصل. يرتبط غياب VCAM-1 في البلعميات بانخفاض الالتهاب الجهازي، كما يتضح من انخفاض مستويات المصل من السيتوكينات الالتهابية مثل IL-5 وIL-17 وGM-CSF وTNF-α. بالإضافة إلى ذلك، تفرز البلعميات التي تفتقر إلى VCAM-1 عددًا أقل من السيتوكينات الالتهابية عند تعرضها لـ LDL المؤكسد، مما يشير إلى أن VCAM-1 يعزز الاستجابات الالتهابية من خلال الأيض الميتوكوندري وتخليق mtDNA.
تظهر النتائج أيضًا أن تعبير VCAM-1 في البلعميات مرتبط بزيادة النشاط الميتوكوندري وتخليق mtDNA، مما يعزز الالتهاب عبر مسار STING. يؤدي إسكوت الجينات الرئيسية لتخليق mtDNA (Polg وPgc1a وCmpk2) في البلعميات إلى تقليل حجم لويحات تصلب الشرايين ومنطقة النواة النخرية، مما يبرز أهمية تكوين الميتوكوندريا في تكوين تصلب الشرايين. تختتم الدراسة بأن VCAM-1 لا يسهل فقط التصاق البلعميات وهجرتها، بل يعدل أيضًا الأيض الميتوكوندري والاستجابات الالتهابية، مما يؤدي إلى تفاقم تصلب الشرايين. تسلط هذه الرؤى الضوء على الدور المزدوج لـ VCAM-1 في تعزيز تجنيد البلعميات وزيادة قدرتها الالتهابية في سياق تصلب الشرايين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51780-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39187565
Publication Date: 2024-08-26
Author(s): Niranjana Natarajan et al.
Primary Topic: interferon and immune responses
Overview
This section of the research paper investigates the role of mitochondrial DNA (mtDNA) synthesis in macrophage function and its implications for atherosclerosis pathology. The authors present evidence that vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1) activates the transcription factor C/EBPα in macrophages within atherosclerotic plaques, leading to increased expression of mitochondrial biogenesis genes, specifically Cmpk2 and Pgc1a. This process enhances mtDNA synthesis, which subsequently activates STING-mediated inflammatory pathways. The study demonstrates that atherosclerosis and inflammation are less pronounced in Apoe -/- mice lacking VCAM-1 in macrophages, and that downregulation of macrophage-specific VCAM-1 reduces the expression of key STING signaling components.
Additionally, the authors report a correlation between VCAM-1 expression in human carotid plaque macrophages and the extent of necrotic core area, mitochondrial volume, and oxidative DNA damage. These findings underscore the critical role of macrophage VCAM-1 in driving inflammation and atherogenesis, suggesting a self-accelerating feedback loop involving increased mtDNA synthesis. The research highlights the broader implications of cellular metabolism in regulating immune cell functions and its potential noncanonical roles in various biological processes.
Methods
In this study, we adhered to ethical standards approved by the University of Pittsburgh Institutional Animal Care and Use Committee. We utilized ten to twelve-week-old mice, which were subjected to an atherogenic diet consisting of 21% milk fat and 0.2% cholesterol for a duration of 16 weeks before being sacrificed. Bone marrow was harvested for flow cytometry and bone marrow-derived macrophage (BMDM) culture, while spleen and blood samples were also collected for flow cytometry analysis. Aortas were excised for further flow cytometry and immuno-imaging assessments. Age-matched littermate controls were incorporated in all experimental setups.
The analysis focused on the log2 fold change in aortic macrophages between two genotypes: LyzM cre/+ Vcam1 fl/fl and LyzM +/+ Vcam1 fl/fl. Statistical significance was assessed through p-values, with several genes such as Nid1, Wisp2, and Fcor showing notable expression changes. The results indicated significant differences in relative expression levels across various conditions, including comparisons of native and oxidized low-density lipoproteins (LDL) in conjunction with siRNA treatments targeting specific genes. The findings underscore the intricate role of these genes in macrophage behavior and atherosclerosis progression.
Results
The results indicate a significant correlation between macrophage VCAM-1 expression and both mitochondrial volume and oxidative stress in atherosclerotic plaques. VCAM-1, primarily an endothelial adhesion molecule, was found to be highly expressed in macrophages within early and advanced carotid atherosclerotic plaques compared to healthy arterial tissue. This expression was corroborated by analyses of published datasets and single-cell studies revealing high levels of Itga4 and Itgb1, which encode the VCAM-1 ligand VLA-4, in various macrophage subsets. Notably, oxidative stress markers, such as 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8-OHdG), were elevated in atherosclerotic macrophages, with VCAM-1 expression positively correlating with both TOM20, a mitochondrial marker, and 8-OHdG levels.
Further analysis demonstrated that the necrotic core area of plaques was also positively correlated with VCAM-1, TOM20, and 8-OHdG expression. In mouse models, an atherogenic diet increased VCAM-1 and TOM20 levels in macrophages, while bulk RNA sequencing of sorted VCAM-1+ and VCAM-1- macrophages revealed enrichment of genes associated with macrophage activation and differentiation in the VCAM-1+ subset. Additionally, upstream regulators critical for atherogenesis, such as IL10RA and MAFB, were upregulated in VCAM-1+ macrophages, which also exhibited significantly higher levels of mitochondrial reactive oxygen species (mtROS) compared to their VCAM-1- counterparts.
Discussion
The research investigates the role of macrophage VCAM-1 in promoting inflammation and atherosclerosis. Using a mouse model with macrophage-specific deletion of Vcam1 on an Apoe -/- background, the study reveals that these mice exhibit reduced atherosclerotic burden, characterized by smaller plaques and necrotic cores, without significant changes in serum cholesterol levels. The absence of VCAM-1 in macrophages correlates with decreased systemic inflammation, as indicated by lower serum levels of pro-inflammatory cytokines such as IL-5, IL-17, GM-CSF, and TNF-α. Additionally, macrophages lacking VCAM-1 secrete fewer inflammatory cytokines upon exposure to oxidized LDL, suggesting that VCAM-1 enhances inflammatory responses through mitochondrial metabolism and mtDNA synthesis.
The findings further demonstrate that VCAM-1 expression in macrophages is linked to increased mitochondrial activity and mtDNA synthesis, which in turn amplifies inflammation via the STING pathway. Silencing key mtDNA synthesis genes (Polg, Pgc1a, and Cmpk2) in macrophages leads to reduced atherosclerotic plaque size and necrotic core area, highlighting the importance of mitochondrial biogenesis in atherogenesis. The study concludes that VCAM-1 not only facilitates macrophage adhesion and migration but also modulates mitochondrial metabolism and inflammatory responses, thereby exacerbating atherosclerosis. These insights underscore the dual role of VCAM-1 in both promoting macrophage recruitment and enhancing their inflammatory potential in the context of atherosclerosis.