鑽石舞台

血管平滑肌通過調節肌肉收縮與放鬆來調控血管內徑、血壓以及血液流動。成熟的血管平滑肌不僅擁有特化的肌肉功能，還具備表型可塑性，即血管平滑肌可以進行可逆的去分化，失去平滑肌特異的收縮基因表達，重新獲得細胞分裂、遷移和細胞外基質合成的能力【1,2】。在動脈粥樣硬化中，平滑肌細胞追蹤研究以及單細胞測序研究發現成熟血管平滑肌可以遷移到粥樣病變中，並獲得其他細胞系的基因標記及功能，包括巨噬細胞、間充質幹細胞及軟骨形成細胞【3,4】。在生理條件下，受調控的可逆細胞去分化在維持血管穩態起到重要作用，例如參與血管重塑與修復。血管平滑肌細胞如何在動態表型調控過程中維持其「平滑肌身份」並且限制其表觀可塑性的機制仍有待闡明。

表觀遺傳在確立細胞身份及細胞分化過程中起關鍵作用。富集在平滑肌特異性基因上的組蛋白修飾H3K4me2被視為血管平滑肌的表觀特性（epigenetic signature），因為無論平滑肌特異基因是否表達，在「分化」與「去分化」的平滑肌細胞中，H3K4me2都被穩定地保留在平滑肌特異基因啟動子區域【5,6】。因此，具有特異性及穩定性的H3K4me2可能在維持平滑肌細胞身份的機制中扮演了重要角色，然而對其進行的功能性研究還未曾報道。

2021年9月27日，來自匹茲堡大學醫學院血管藥物研究所的Delphine Gomez教授團隊在Developmental Cell上發表題為 H3K4 di-methylation governs smooth muscle lineage identity and promotes vascular homeostasis by restraining plasticity的研究論文，首次闡明富集在血管平滑肌特異基因上的H3K4me2在維持平滑肌細胞身份、平滑肌特異功能以及血管穩態方面起到重要作用，並且揭示了在平滑肌細胞中以H3K4me2為主導的表觀遺傳機制。

為了研究血管平滑肌特異基因上的H3K4me2功能，作者構建了特異的表觀遺傳編輯系統 (Myocd-LSD1)。該編輯系統利用血管平滑肌特異的轉錄輔助因子myocardin，將H3K4me2脫甲基酶（LSD1）特定的結合在血管平滑肌特異基因組（SMC-lineage specific genes）上，通過脫甲基酶的作用消除H3K4me2。作者發現H3K4me2去甲基化的平滑肌細胞失去其細胞特徵及肌肉功能，並且強化了平滑肌細胞的表型可塑性。在體外實驗中，與對照組相比，去除H3K4me2的平滑肌細胞更傾向獲取其他細胞系的功能及表觀遺傳特徵。

與活化或抑制組蛋白修飾不同，穩定的H3K4me2修飾是如何調控平滑肌特異基因組表達的呢？作者發現H3K4me2通過與DNA羥甲基化酶 (TET2) 相互作用來調控平滑肌特異基因啟動子區域的DNA去甲基化。H3K4me2去甲基化極大減弱了TET2與平滑肌特異基因的結合，從而導致高水平的具有基因表達抑制性的DNA甲基化。

平滑肌細胞可逆的表性調控在維持血管穩定及血管修復中起到重要作用，作者發現H3K4me2去甲基化的平滑肌細胞不但失去其分化的肌肉特徵，也削弱了其參與血管修復的功能。作者進一步探究發現H3K4me2去甲基化後的平滑肌細胞失去了由miR-145介導的細胞遷移及細胞骨架重組功能，而miR-145的表達也受到H3K4me2-TET2的調控。

綜上，該研究通過構建全新的表觀遺傳編輯工具進行平滑肌特異基因組上的H3K4me2去甲基化，發現穩定組蛋白修飾H3K4me2通過作為TET2結合位點介導DNA去甲基化，在維持血管平滑肌細胞身份、特定功能以及限制平滑肌細胞表型可塑性方面起到重要作用。該研究為闡明了平滑肌細胞中存在的「表觀遺傳記憶」機制，為血管平滑肌介導的心血管疾病防治提供了新的線索。

匹茲堡大學醫學院博士生劉鳴軍為文章第一作者，Delphine Gomez教授為通訊作者。匹茲堡大學Adam Straub教授，弗吉尼亞大學Gary K. Owens教授及耶魯大學Kathleen A. Martin教授為本研究提供了重要幫助。

1. Liu M and Gomez D. Smooth Muscle Cell Phenotypic Diversity.Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2019;39:1715-1723.

2. Owens GK. Molecular control of vascular smooth muscle cell differentiation and phenotypic plasticity.Novartis Found Symp. 2007;283:174-91; discussion 191-3, 238-41.

3. Dobnikar L, Taylor AL, Chappell J, Oldach P, Harman JL, Oerton E, Dzierzak E, Bennett MR, Spivakov M and Jorgensen HF. Disease-relevant transcriptional signatures identified in individual smooth muscle cells from healthy mouse vessels (vol 9, 4567, 2018).Nature Communications. 2018;9.

4. Shankman LS, Gomez D, Cherepanova OA, Salmon M, Alencar GF, Haskins RM, Swiatlowska P, Newman AAC, Greene ES, Straub AC, Isakson B, Randolph GJ and Owens GK. KLF4-dependent phenotypic modulation of smooth muscle cells has a key role in atherosclerotic plaque pathogenesis.Nature Medicine. 2015;21:628-637.

5. Gomez D, Shankman LS, Nguyen AT and Owens GK. Detection of histone modifications at specific gene loci in single cells in histological sections.Nat Methods. 2013;10:171-177.

6. McDonald OG, Wamhoff BR, Hoofnagle MH and Owens GK. Control of SRF binding to CArG box chromatin regulates smooth muscle gene expression in vivo.Journal of Clinical Investigation. 2006;116:36-48.