Piezo1调控内皮FOXO1通路影响血管重构的机制研究

Oscillatory shear stress(OSS) induced endothelial dysfunction is one of the hallmarks for vascular remodeling, however, it is still unclear how shear stress was sensed by endothelial cells. We recently identified the mechanosensitive ion channel Piezo1 as a novel endothelial sensor for laminar shear stress (LSS) and it is essential for endothelial hemostasis maintenance (JCI 2015, JCI 2016). Our unpublished data suggested that OSS induced endothelial cell activation was mediated by Piezo1-FOXO1 signaling pathway. Therefore we hypothesize that Piezo1 and FOXO1 might serve as new endothelial mechanosensor and mechanotransducer for OSS, respectively. In present study, by using the state-of-art in-vitro shear stress technologies, we will investigate: 1) molecular mechanisms of endothelial Piezo1 and FOXO1 in OSS sensing and intracellular signal transducing; 2) role of Piezo1-FOXO1 signaling in OSS induced endothelial cell activation and dysfunction; 3) For the in-vivo studies, we will explore the role of Piezo1-FOXO1 signaling in OSS induced vascular remodeling in inducible and endothelial specific Piezo1 or FOXO1 knockout mice. This study is aiming to reveal the long-sought endothelial OSS mechanosensing and mechanotransduction mechanism and it will provide novel mechanobiological insights into understanding and treating endothelial dysfunction and vascular remodeling related diseases.

扰动血流剪切力(OSS)是破坏内皮稳态，诱导血管重构(vascular remodeling)的关键因素，但内皮对OSS的感知机制尚不明确。前期研究证实Piezo1是内皮细胞对层流剪切力的感受器，在维持内皮稳态中发挥关键作用(JCI 2015; JCI 2016)。 预试验发现Piezo1-FOXO1信号轴介导OSS对内皮细胞的激活。我们推测Piezo1及FOXO1可能分别是内皮细胞对OSS感知和机械转导的关键靶点。本课题拟：1)用离体剪切力模型解析内皮Piezo1及FOXO1对OSS感知和机械转导的机制；2) 探讨Piezo1-FOXO1信号轴在OSS诱导内皮细胞激活及稳态失衡中的作用；3) 在内皮Piezo1及FOXO1敲除小鼠中分析Piezo1-FOXO1信号轴在OSS诱导的血管重构中的作用。本研究将有助于发现内皮细胞对OSS感知及传导的新机制，为血管重构相关血管疾病提供新靶点。

血流剪切力对于血管内皮细胞功能及血管稳态的维持有着极其重要的调控作用，本项目旨在探索机械力敏感离子通道Piezo1在血管内皮细胞中对血流剪切力的感知作用及其对血管内皮细胞激活的调控作用，并进一步探究Piezo1对血管稳态及血管重构的作用与机制。在本项目的资助下，本课题从生物力学的这一独特动态角度，证明了Piezo1及FOXO1在OSS所致内皮稳态失衡及血管重构中的作用及机制，并探讨此过程中涉及的内皮细胞代谢调控、细胞表型转化、氧化应激及炎症等关键科学问题。我们发现KLF4 (Krüppel-like factor 4)是机械敏感蛋白Piezo1的下游分子，二者均被剪切力调控。我们的研究进一步发现在人内皮细胞以及人和小鼠主动脉中，单向层流而非干扰流以KLF4依赖的方式显著增加内皮细胞外基质蛋白TNX (tenascin-X)的表达。内皮特异性丢失TNX的小鼠(EC-Tnxb-KO)显示内皮TGF-β信号通路增加，内皮细胞EndMT和炎症标志物基因表达增加。我们观察到当EC-Tnxb-KO小鼠进行部分颈动脉结扎血管重塑增加。EC-Tnxb-KO小鼠与低密度脂蛋白受体缺陷小鼠杂交后，在喂食高脂肪饮食后显示出晚期动脉粥样硬化病变。综上所述，我们发现TNX是血流诱导抑制EndMT、内皮细胞炎症和动脉粥样硬化的中心介质，其作用机制与TGF-β结合并阻断其活性。在本项目的资助下，我们的工作还揭示了由白细胞诱导的ICAM-1聚集产生的机械力与流动血液施加的流体剪切应力协同作用会增加内皮膜张力，并激活机械敏感阳离子通道Piezo1，从而导致内皮细胞胞内Ca2+的增加和多个下游信号的激活，包括酪氨酸激酶肉瘤(SRC)和蛋白酪氨酸激酶2 (PYK2)以及肌球蛋白轻链的磷酸化，最终导致内皮屏障的打开，促使白细胞发生跨血管转移。内皮特异性Piezo1缺陷小鼠在不同炎症模型中显示白细胞外渗减少。因此，白细胞和血流动力学微环境协同机械激活内皮细胞Piezo1和随后的下游信号，以启动白细胞外渗。.综上，在本项目的资助下，申请人按照项目计划，系统探索了内皮细胞对血管剪切力的感知及机械信号转导的分子机制，并为内皮靶向防治血管重构相关疾病的药物开发提供新靶点，具有重要的理论及临床意义。