血管为何会衰老？长寿基因在作祟

2020-05-07

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灵长类动物动脉血管衰老的细胞分子机制研究图片来源：中科院动物所

心血管疾病被称为人类健康“第一大杀手”，据推算中国心血管病现患人数超2.9亿人。血管衰老是导致心血管疾病的主要因素之一，那么，导致血管衰老的原因又是什么？5月5日，中国学者发表在《自然—通讯》杂志的一项研究首次绘制了灵长类动脉血管衰老的单细胞基因表达图谱，揭示了长寿基因FOXO3A的表达下调是血管衰老的驱动力。

论文通讯作者、中国科学院动物研究所研究员曲静告诉《中国科学报》，伴随衰老而发生的血管结构和功能的退行性改变是导致心血管疾病的主要危险因素。但是，由于不同来源的血管壁细胞存在高度异质性，过去的研究中尚未明确人类老年血管的细胞组成和分子特征，这制约了人们对血管衰老机制的理解和相关疾病干预手段的发展。

在这一研究中，研究人员首先对年轻和年老食蟹猴的主动脉弓和冠状动脉血管进行了组织学分析。通过大尺度电镜三维重构等技术，研究人员发现，年老血管呈现血管壁增厚、钙化、纤维化以及血管内皮细胞减损等衰老特征。

虽然都是人类动脉粥样硬化的易感部位，但负责为身体大多数脏器供血的主动脉和为心脏供血的冠状动脉两者的衰老速度不同、细胞组成不同、生理特性也存在差别。为了克服组织和细胞异质性这一难题，进一步明确衰老伴随的不同类型血管细胞的分子改变，研究人员利用单细胞转录组测序技术绘制了主动脉弓和冠状动脉的内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞等血管细胞类型的基因表达图谱，并鉴定出8种可区分主动脉和冠状动脉细胞的新型分子标志物。

衰老伴随的差异基因表达网络分析显示，转录因子FOXO3A（长寿基因FOXO3A编码的蛋白产物）是调控动脉血管差异表达基因网络的关键分子节点。FOXO3A在6种衰老的血管壁细胞中表达均下调，是灵长类动脉血管衰老的重要特征。

之后，通过结合胚胎干细胞基因编辑和定向诱导分化技术，研究人员获得了靶向敲除FOXO3A基因的人类血管内皮细胞。与未敲除FOXO3A基因的野生型细胞相比，FOXO3A缺失的血管内皮细胞表现出增殖、迁移和成管等能力的退化。在被移植到小鼠的缺血后肢中后，FOXO3A缺失的人内皮细胞的血管修复能力较野生型细胞也显著降低。

考虑到啮齿类动物和灵长类动物在血管生物学和衰老特性方面存在差异，研究团队选择生理结构更为接近人类的食蟹猴为研究对象。这也是国际上首次报道灵长类血管衰老的单细胞图谱，解析了灵长类血管衰老过程中细胞组成和分子特征的变化规律。

随着全球人口结构快速老龄化，衰老研究成为关注的热点。FOXO3A是衰老遗传学研究领域中一个“明星”基因，其遗传多态性与人类的健康长寿密切相关。在此次研究中，研究人员首次证实了FOXO3A对于维持灵长类动脉血管稳态的重要作用。

该项研究的共同通讯作者为中国科学院动物研究所研究员曲静、刘光慧和北京大学教授汤富酬。2019年，这一联合研究团队曾在《细胞—干细胞》报告，利用基因编辑技术获得了世界上首例FOXO3A遗传增强型人血管细胞。与FOXO3A缺失的血管细胞相反，FOXO3A增强型细胞的血管修复能力显著增强，为通过再生医学治疗血管退行性疾病提供了优质的细胞移植材料。

该项研究由中国科学院干细胞与再生医学创新研究院、中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因组研究所、北京大学、中国科学院生物物理研究所、中国科学院自动化研究所、首都医科大学宣武医院等机构合作完成。中国科学院北京基因组研究所研究员张维绮、北京大学博士研究生张书、中国科学院动物研究所博士研究生颜鹏泽和北京大学博士研究生任杰为并列第一作者。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-15997-0

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