研究背景
升主动脉瘤(ATAA)以升主动脉的弱化和扩张为特征，可导致夹层、破裂等并发症。虽然以平滑肌细胞(SMC)丢失和细胞外基质(ECM)降解为标志的主动脉变性是ATAA的主要特征，但导致散发型ATAA主动脉退变的分子和细胞过程尚不清楚。
方法流程
文章将8例ATAA患者中获得的升主动脉壁组织作为实验组，同时取2名心脏移植受者、1名肺供体者的升主动脉壁组织作为对照组，进行单细胞转录组测序。总共获得48,个合格的细胞用于进一步分析。通过单细胞测序阐明正常主动脉和病变主动脉不同主动脉细胞群中的动态基因表达变化，从而促进我们对升主动脉瘤分子机制的认识。
文章研究思路如下：
研究结果
1
升主动脉壁组织细胞分群与注释
所有细胞共分成11个细胞群:平滑肌细胞(SMC12)、成纤维细胞、间充质干细胞(MSCs)、内皮细胞、单核/巨噬细胞/树突状细胞(DC)、T淋巴细胞、自然杀伤细胞、肥大细胞、B淋巴细胞和浆细胞。ATAA病人的升主动脉壁组织中表现为免疫细胞的增加，这与之前的研究结论是一致的。
图1升主动脉壁组织细胞分组注释
2
人升主动脉壁SMC种群的异质性
将所有样本的非免疫细胞重新进行亚群细分，共分成15个非免疫细胞亚群。其中有5种SMC或SMC相关簇。高表达收缩相关基因，如ACTC1、ACTA2和MYL9以及表达低水平的胶原和蛋白多糖基因；StressedSMC表达了FOS、ATF3和HSPB8等应激反应基因，表明StressedSMC参与一些应激反应。proliferatingSMC有两个亚群，都高表达细胞周期素基因，与合成型平滑肌细胞不同的是，增殖的平滑肌细胞并没有表现出收缩基因的低表达或细胞外基质基因的高表达。Fibromyocytes表达较高水平的胶原和蛋白多糖基因。
图2升主动脉壁组织非免疫细胞亚群细分及marker基因展示
3
升主动脉壁免疫细胞的异质性
将所有样本的单核/巨噬细胞/DC细胞重新进行亚群细分，共分成10个亚群；M1like1簇表达多个细胞因子基因，包括CCL3L1，CCL4L2，和肿瘤坏死因子，表明有炎症作用。M1like2细胞除表达m1标记基因外，还表达表皮生长因子编码基因，提示这类M1型巨噬细胞除了分泌炎症因子外，还可能参与组织重塑。M1like3细胞还表达了编码主要组织相容性复合体I类分子的基因，这些分子专门向细胞*性CD8T淋巴细胞表达抗原，而其他巨噬细胞主要表达编码主要组织相容性复合体II类分子的基因。提示M1like3细胞呈现CD8T淋巴细胞抗原，而不是CD4T淋巴细胞抗原。
将所有样本的T细胞重新进行亚群细分，共分成11个亚群。CD4_Treg高表达几个细胞因子基因，特别是细胞因子受体基因(如TFNAR2、TNFRSF9、CCR6和IL2RA)，提示细胞因子可能在Treg功能中发挥重要作用。T_HSP和T_GIMAP簇都表达TXNIP，TXNIP编码一种蛋白，抑制硫氧还蛋白的抗氧化功能，导致活性氧积累和细胞应激。T_Stress簇还表达与应激相关的基因，如jun、fos和DNAJA1。T_Switch细胞表达收缩相关基因TAGLN、MYH11和TPM1。
图3升主动脉壁组织免疫细胞亚群细分及marker基因展示
4
ATAA组织线粒体功能降低
基因集富集分析表明，在ATAA组织中有7个簇的氧化磷酸化(OXPHOS)增加。然而几种细胞类型中线粒体基因的表达都减少了。在ATAA组织中，线粒体OXPHOS基因的表达减少，而染色质OXPHOS基因的表达增加。因此，我们假设ATAA组织中的细胞可能表现出线粒体功能障碍。当线粒体基因表达受到抑制时，染色质OXPHOS基因的表达可能会增加，以补偿和维持细胞中关键的OXPHOS功能。ATAA组织中免疫细胞的比例增加，特别是T淋巴细胞，细胞周期分析显示，ATAA组织的G1期细胞比对照组织多，表明ATAA组织的增殖率较低。这也提示ATAA组织中T淋巴细胞比例的增加可能不是由细胞增殖引起的。并确定了23个趋化因子基因在ATAA组织中表达显著增加的簇。在23个簇中，12个为非免疫细胞，4个为巨噬细胞。这表明ATAA细胞群的改变可能主要归因于非免疫细胞和巨噬细胞中趋化因子表达的增加，这吸引了远端免疫细胞。
图4ATAA病人升主动脉壁组织线粒体基因表达情况
5
ATAA组织中DEGS与GWAS结果的相关性
通过GWAS确定了与ATAA相关的SNPs，并且通过相关SNPs预测了与动脉瘤相关的SNP的假定靶基因，将得到的靶基因与单细胞测序所得到的DEGS(差异基因)进行重叠。鉴定了11个基因(即Twist1、ADAM15、ERG、UBE2Q1、TPM3、ATP8B2、C1orf43、RSAD2、DNM2、KANK2和HAX1)，它们在对照组和ATAA组织中的16种细胞类型中差异表达。作者发现，ERG基因在ProliferatingSMC1,ProliferatingSMC2,Inflammatory1,Fibroblast1和EC1中地表达。
作者在CHIP-ATLAS数据库中进一步确定这5个簇中受ERG调控的潜在靶基因，在EC1中鉴定出：个基因(n=个下调，n=44个在ATAA上调)是ERG在EC1中潜在的调控基因。GO富集分析表明：EC1中下调的几个基因参与了细胞凋亡、对活性氧的反应和内质网信号传递。(但是其他4个簇没有结果)。
作者又将ERG基因在TFBS数据库中进行靶位点预测，作者在Fibroblast1和增殖期ProliferatingSMC2中发现了18个受ERG潜在调控的基因。ERG可能对主动脉壁的正常生理至关重要，并在平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞中发挥关键作用。
图5GWAS预测基因与DEGS重叠基因表达情况
研究结论
人类升主动脉组织中有11种主要细胞类型；可将他们亚群细分成40种亚型。提示这些细胞在主动脉壁有多种功能群。ATAA组织中有较少的非免疫细胞和更多的免疫细胞，尤其是T淋巴细胞；差异基因表达数据提示ATAA组织中存在广泛的线粒体功能障碍；ERG可能对主动脉壁的正常生理至关重要，并在平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞中发挥关键作用。
参考文献
Single-CellTranscriptomeAnalysisRevealsDynamicCellPopulationsandDifferentialGeneExpressionPatternsinControlandAneurysmalHumanAorticTissue.Circulation.Oct6;(14):-.
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