Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17

Keywords: Aging; Endothelium dysfunction; F11R; Junctional adhesion molecule-A; Mechano-transduction.

随着年龄的增长，心血管系统发生了重要变化，包括血管硬度升高和异常重塑。研究表明，与衰老相关的小阻力动脉重塑可以独立于全身血压的变化而发生。研究已表明，小阻力动脉会因血流的持久变化或血流停止而发生重塑。值得注意的是，在血管调节和信号传导中起关键作用的不是血流速率，而是壁面剪切应力（WSS），即由流动血液在内皮细胞表面的摩擦驱动的切向力。WSS由血流速度、粘度和血管管腔直径确定。在阻力动脉中，WSS的时间增加会诱导血管舒张，从而有助于组织灌注的前馈调节。长期的WSS可以直接影响微循环中的血管壁重塑和血管生长。

假定的内皮WSS机械感觉复合物由血小板内皮细胞粘附分子-1（PECAM-1）、VE-钙粘蛋白、血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）和其他分子组成，主要定位于内皮细胞连接处。连接粘附分子-A（JAM-A/F11R）是内皮细胞连接复合物的组成部分，对于细胞的机械连接作用以及细胞间的信号传递具有重要作用。值得注意的是，研究表明，衰老会改变JAM-A/F11R的功能，由于其组织表达水平降低。基于此，有研究报道了老年人和老年小鼠的脂肪组织动脉中去整合素-金属蛋白酶17（ADAM17），又称为TNF-α转化酶（TACE），的活性增加，这有助于TNF介导的远端血管功能障碍。有趣的是，ADAM17介导其他几种膜结合分子的蛋白水解脱落，包括JAM-A/F11R，且先前的一项体外研究表明，ADAM17的激活与内皮细胞中JAM-A/F11R的蛋白水解释放有关。

基于上述基础，美国乔治亚州奥古斯塔大学医学院生理学系、药理学和毒理学系的课题组曾在一项研究中验证了与衰老相关的 ADAM17 激活和 JAM-A/F11R 脱落增加会损害内皮细胞 WSS 机械感应，从而导致小阻力动脉的异常管腔狭窄重塑的特定假设。研究成果发表在GeroScience 期刊题为“Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17”。

首先，为了解决生物力学力是否与衰老相关的血管重塑有关，评估了WSS诱导的幼龄和老年小鼠的离体和加压骨骼肌动脉中的血管舒张作用。施加的压力梯度在幼龄和老年小鼠的动脉中诱导了相同水平的腔内血流。然而，与幼龄小鼠（~ 10 dyne/cm2）相比，老年小鼠WSS诱导的血管舒张不仅程度降低，而且最大扩张反应需要更高的WSS水平（~ 25 dyne/cm2）。在任何给定的流速下，WSS在老年小鼠的动脉中仍然显著更高。此外，在20-100 mmHg的腔内压力范围内，从老年小鼠分离的小骨骼肌动脉与幼鼠相比内径减小。与幼鼠相比，老年小鼠动脉的压力-壁厚度、压力-壁厚度/管腔比和压力-横截面积关系增加。来自老年小鼠的组织学切片显示股薄肌动脉的中膜厚度增加。这些数据表明，WSS反应受损与老年小鼠骨骼肌拮抗动脉内向肥厚性重塑（inward hypertrophic remodeling）有关。

此外，在幼龄和老年小鼠的骨骼肌动脉壁（包括内皮细胞）中检测到ADAM17的表达（图1 a）。与幼鼠相比，老年小鼠骨骼肌动脉中ADAM17蛋白的表达显著上调（图1 b）。内皮细胞也表达 JAM-A/F11R，一种 ADAM17 切割底物，其在两种小鼠中的总蛋白表达水平没有变化（图1 a、b）。

此前，ADAM17激活已被证明可以通过调节切割改变JAM-A/F11R的亚细胞定位。为了确定 JAM-A/F11R 内皮细胞分布的衰老相关变化，在两种小鼠的主动脉中进行了面部免疫染色。结果发现，JAM-A/F11R在老年小鼠的内皮细胞中分布更广泛，且这些小鼠的细胞连接边界也不规则（图1 c、d）。相对于VE-钙粘蛋白，JAM-A / F11R的内皮细胞连接定位水平在老年小鼠中显著降低（图1 e）。老年小鼠主动脉内皮细胞核比年轻小鼠更短（图1 f）。鉴于血流WSS导致内皮细胞及其细胞核伸长，该数据也表明老龄动物中动脉WSS诱导的信号传导发生了改变。

此外，在加入PMA（一种ADAM17激活剂）或未加入的情况下，HUVECs暴露于WSS（8 dyne/cm2，48 小时），发现PMA降低了连接定位的JAM-A/F11R的表达，而没有显著改变细胞核长宽比（图1 i、j）。这些数据表明，ADAM17 减少老年小鼠内皮细胞连接处定位的 JAM-A/F11R。

图1     ADAM17表达的增加伴随着内皮细胞连接处定位的JAM-A/F11R的减少。

接下来，为了具体评估 ADAM17 对 WSS 反应和随后在体内发生的动脉重塑的影响，在骨骼肌动脉管腔中构建 ADAM17 过表达和对照组。实验发现，ADAM17在幼鼠动脉中的过表达显著降低了WSS诱导的扩张程度。与衰老动脉的反应类似，与对侧对照动脉或 eGFP 过表达的血管相比（~ 5-10 dyne/cm2），在 ADAM17 过表达的动脉中，WSS 诱导的血管舒张仅在较高的 WSS 水平（~ 20 dyne/cm2）下达到最大值。此外，ADAM17过表达后WSS反应受损伴有动脉壁厚度增加和壁腔-管腔-压力关系增加。这说明，ADAM17 的体内过表达会损害 WSS 反应并诱导幼鼠动脉中的血管重塑。

进一步研究 ADAM17 损害内皮细胞中 WSS 机械感应的潜在机制，将HUVECs 在不同 WSS 水平（0-32 dyne/cm2）下进行稳定层流持续3 天。‌内皮细胞的排列方式是衡量其感知和响应WSS能力的一个重要指标。在WSS下，内皮细胞表现出细长的形态并与血流方向对齐，在 8 dyne/cm2 时达到与血流方向的最大对齐（即最小角度偏差）。因此，在重组ADAM17蛋白或转染JAM-A/F11R靶向siRNA或对照siRNA的HUVECs中，测量了内皮细胞排列（WSS，8 dyne/cm2，3天）。虽然 ADAM17 暴露或 JAM-A/F11R 耗竭的内皮细胞显示出细长的形态，但与对照 siRNA 转染的 HUVECs 相比，它们在 3 天的培养期间未能在流动方向上对齐（图2）。这说明，ADAM17 的激活或JAM-A/F11R 的 缺失会损害 WSS 诱导的内皮细胞排列。

图2    ADAM17激活或JAM-A/F11R缺失会损害WSS依赖性内皮细胞的排列。

为了确定 JAM-A/F11R 是否是 ADAM17 的直接底物，实验生成了 ADAM17 抗切割的人 JAM-A/F11R。用野生型JAM-A（wtJAM-A）或mtJAM-A^V232Y 转染HUVECs，在有或没有重组 ADAM17 下经受WSS（8 dyne/cm2）。结果注意到，表达mtJAM-A^V232Y的HUVECs条件培养基中含有的JAM-A/F11R水平明显低于表达wtJAM-A的细胞。表达HUVECs的wtJAM-A和mtJAM-A^V232Y均呈现细长的形态，并与流动方向对齐。这些数据表明，突变的 JAM-A/F11R 不会改变正常的 WSS 响应。

此外，表达wtJAM-A的细胞经过重组ADAM17后会拉长，但不能有效地定位于流动方向。相比之下，即使在ADAM17存在的情况下，表达mtJAM-A^V232Y的HUVECs也被拉长并对齐。这些结果强调了 WSS 传感机制中的一个特定缺陷，即野生型 JAM-A/F11R 表达细胞在 ADAM17 暴露后与流动方向对齐，这被 ADAM17 抗切割的 mtJAM-A^V232Y挽救。

最后，确定了与衰老相关的 WSS 机械感知损伤和异常动脉重塑是否可以逆转。在受限动脉内递送编码ADAM17抗切割突变小鼠JAM-A/F11R的AAV2QuadYF载体2周后，发现目标骨骼肌阻力动脉段表现出明显增强的WSS诱导的扩张，而内皮依赖性激动剂ACh- 和直接NO供体SNP- 诱导的反应与老年小鼠的对侧动脉相似（图3 a-c）。然而，与老年小鼠对侧动脉相比，mtJAM-A^V232Y过表达动脉段的动脉壁厚度、壁-管腔压力关系以及动脉内管腔直径-压力关系均无明显变化（图3 d-f）。这些数据表明，在体内，过表达ADAM17抗切割突变小鼠JAM-A^V232Y可改善WSS反应，但不能逆转老年小鼠的异常重塑。

图3     ADAM17抗切割小鼠JAM-A^V232Y的过表达增强了WSS诱导的老年小鼠血管舒张。

（g）示意图阐述了所提出的新机制，其中 WSS（t）的机械感应降低，而不是流量大小（Q），决定了衰老过程中血管舒张降低和小阻力动脉的异常重塑。在正常WSS感应的年轻小鼠（左）小阻力动脉中，JAM-A / F11R参与WSS机械感应和NO产生，诱导血管舒张并对血管平滑肌细胞发挥抗增殖作用。在老年小鼠的动脉（右）中，ADAM17 介导的 JAM-A/F11R 切割的增强和再分配是 WSS 感应受损的基础，这导致血管舒张减少并促进血管平滑肌细胞增殖，从而引起向内肥厚性动脉重塑，与血流速度无关，即使在 WSS 水平升高的情况下也是如此。

该研究旨在验证 WSS 机械传感中与衰老相关的损伤是阻力动脉异常重塑的主要原因的假设。研究结果表明，在衰老过程中，上调的 ADAM17 表达会损害血管内皮 WSS 机械感知过程，导致骨骼肌阻力动脉的管腔狭窄和肥厚性重塑。体内和体外证据揭示，通过内皮 JAM-A/F11R 的过度切割，ADAM17 的血管表达增加与 WSS 诱导的血管舒张受损和 WSS 依赖性内皮细胞排列减少有关（图3 g）。总之，研究结论证明，与衰老相关的内皮细胞 WSS 机械感应降低以及随后发生的异常动脉重塑在机制上与 ADAM17 介导的 JAM-A/F11R的过度切割增加有关，JAM-A/F11R是内皮细胞WSS机械感知的新成员。

参考文献：Tian Y, Fopiano KA, Buncha V, Lang L, Rudic RD, Filosa JA, Dou H, Bagi Z. Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17. Geroscience. 2022 Feb;44(1):349-369. doi: 10.1007/s11357-021-00476-1. Epub 2021 Oct 30. PMID: 34718985; PMCID: PMC8810930.

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