Vascular occlusion and complex plexiform lesions are hallmarks of the pathology of severe pulmonary arterial hypertension (PAH) in patients. However, the mechanisms of obliterative vascular remodeling remain elusive; hence, current therapies have not targeted the fundamental disease-modifying mechanisms and result in only modest improvement in morbidity and mortality.Mice with Tie2Cre-mediated disruption of Egln1 (encoding prolyl-4 hydroxylase 2 [PHD2]; Egln1(Tie2)) in endothelial cells and hematopoietic cells exhibited spontaneous severe PAH with extensive pulmonary vascular remodeling, including vascular occlusion and plexiform-like lesions, resembling the hallmarks of the pathology of clinical PAH. As seen in patients with idiopathic PAH, Egln1(Tie2) mice exhibited unprecedented right ventricular hypertrophy and failure and progressive mortality. Consistently, PHD2 expression was diminished in lung endothelial cells of obliterated pulmonary vessels in patients with idiopathic PAH. Genetic deletions of both Egln1 and Hif1a or Egln1 and Hif2a identified hypoxia-inducible factor-2α as the critical mediator of the severe PAH seen in Egln1(Tie2) mice. We also observed altered expression of many pulmonary hypertension-causing genes in Egln1(Tie2) lungs, which was normalized in Egln1(Tie2)/Hif2a(Tie2) lungs. PHD2-deficient endothelial cells promoted smooth muscle cell proliferation in part through hypoxia-inducible factor-2α-activated CXCL12 expression. Genetic deletion of Cxcl12 attenuated PAH in Egln1(Tie2) mice.These studies defined an unexpected role of PHD2 deficiency in the mechanisms of severe PAH and identified the first genetically modified mouse model with obliterative vascular remodeling and pathophysiology recapitulating clinical PAH. Thus, targeting PHD2/hypoxia-inducible factor-2α signaling is a promising strategy to reverse vascular remodeling for treatment of severe PAH.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by a progressive increase of pulmonary vascular resistance and obliterative pulmonary vascular remodeling that result in right heart hypertrophy, failure, and premature death. The underlying mechanisms of loss of distal capillary endothelial cells (ECs) and obliterative vascular lesion formation remain unclear. Our recent single-cell RNA sequencing, spatial transcriptomics analysis, RNASCOPE, and immunostaining analysis showed that arterial ECs accumulation and loss of capillary ECs were evident in human PAH patients and pulmonary hypertension (PH) rodents. Pseudotime trajectory analysis of the single-cell RNA sequencing data suggest that lung capillary ECs transit to arterial ECs during the development of PH. Our study also identified CXCL12 as the marker for arterial ECs in PH. Capillary EC lineage tracing approach using capillary specific-Dre;Tdtomato reporter mice demonstrated that capillary ECs gave rise to arterial ECs during PH development. Genetic deletion of HIF-2a or pharmacological inhibition of Notch4 normalized the arterial programming in PH. In conclusion, our study demonstrates that capillary endothelium transits to arterial endothelium through the HIF-2a-Notch4 pathway during the development of PAH. Thus, targeting arterial EC transition might be a novel approach for treating PAH patients.

Abstract Nitrative stress is a characteristic feature of the pathology of human pulmonary arterial hypertension (PAH). However, the role of nitrative stress in the pathogenesis of obliterative vascular remolding and severe PAH remains largely unclear. Our recent studies identified a novel mouse model ( Egln1 Tie2Cre , Egln1 encoding prolyl hydroxylase 2 [PHD2]) with obliterative vascular remodeling and right heart failure, which provides us an excellent model to study the role of nitrative stress in obliterative vascular remodeling. Here we show that nitrative stress was markedly elevated whereas endothelial Caveolin-1 (Cav1) expression was suppressed in the lungs of Egln1 Tie2Cre mice. Treatment with a superoxide dismutase mimetic, manganese (III) tetrakis (1-methyl-4-pyridyl) porphyrin pentachloride (MnTmPyP, also known as a peroxynitrite scavenger) treatment inhibited obliterative pulmonary vascular remodeling and attenuated severe PAH in Egln1 Tie2Cre mice. Genetic restoration of endothelial Cav1 expression in Egln1 Tie2Cre mice normalized nitrative stress, reduced PAH and improved right heart function. These data suggest that suppression of endothelial Cav1 expression secondary to PHD2 deficiency augments nitrative stress, which contributes to obliterative vascular remodeling and severe PAH. Thus, reactive oxygen/nitrogen species scavenger might have great therapeutic potential for the inhibition of obliterative vascular remodeling and severe PAH.

Rare genetic variants and genetic variation at loci in an enhancer in SRY-Box Transcription Factor 17 (SOX17) are identified in patients with idiopathic pulmonary arterial hypertension (PAH) and PAH with congenital heart disease. However, the exact role of genetic variants or mutation in SOX17 in PAH pathogenesis has not been reported.To investigate the role of SOX17 deficiency in pulmonary hypertension (PH) development.Human lung tissue and endothelial cells (ECs) from IPAH patients were used to determine the expression of SOX17. Tie2Cre-mediated and EC-specific deletion of Sox17 mice were assessed for PH development. Single-cell RNA sequencing analysis, human lung ECs, and smooth muscle cell culture were performed to determine the role and mechanisms of SOX17 deficiency. A pharmacological approach was used in Sox17 deficiency mice for therapeutic implication.SOX17 expression was downregulated in the lungs and pulmonary ECs of IPAH patients. Mice with Tie2Cre mediated Sox17 knockdown and EC-specific Sox17 deletion developed spontaneously mild PH. Loss of endothelial Sox17 in EC exacerbated hypoxia-induced PH in mice. Loss of SOX17 in lung ECs induced endothelial dysfunctions including upregulation of cell cycle programming, proliferative and anti-apoptotic phenotypes, augmentation of paracrine effect on pulmonary arterial smooth muscle cells, impaired cellular junction, and BMP signaling. E2F Transcription Factor 1 (E2F1) signaling was shown to mediate the SOX17 deficiency-induced EC dysfunction and PH development.Our study demonstrated that endothelial SOX17 deficiency induces PH through E2F1 and targeting E2F1 signaling represents a promising approach in PAH patients.

Abstract Background Cardiac hypertrophy and fibrosis are common adaptive responses to injury and stress, eventually leading to heart failure. Hypoxia signaling is important to the (patho)physiological process of cardiac remodeling. However, the role of endothelial Prolyl-4 hydroxylase 2 (PHD2)/hypoxia inducible factors (HIFs) signaling in the pathogenesis of heart failure remains elusive. Methods and Results Mice with Tie2 -Cre-mediated deletion of Egln1 (encoding PHD2) ( Egln1 Tie2Cre ) exhibited left ventricular (LV) hypertrophy evident by increased thickness of anterior and posterior wall and LV mass, as well as cardiac fibrosis. Tamoxifen-induced endothelial Egln1 deletion in adult mice also induced LV hypertrophy and fibrosis. Additionally, we observed a marked decrease of PHD2 expression in heart tissues and cardiovascular endothelial cells from patients with cardiomyopathy. Moreover, genetic ablation of Hif2a but not Hif1a in Egln1 Tie2Cre mice normalized cardiac size and function. RNA sequencing analysis also demonstrated HIF-2α as a critical mediator of signaling related to cardiac hypertrophy and fibrosis. Pharmacological inhibition of HIF-2α attenuated cardiac hypertrophy and fibrosis in Egln1 Tie2Cre mice. Conclusions The present studies define for the first time an unexpected role of endothelial PHD2 deficiency in inducing cardiac hypertrophy and fibrosis in a HIF-2α dependent manner. PHD2 was markedly decreased in cardiovascular endothelial cells in patients with cardiomyopathy. Thus, targeting PHD2/HIF-2α signaling may represent a novel therapeutic approach for the treatment of pathological cardiac hypertrophy and failure.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a devastating disease characterized by high blood pressure in the pulmonary arteries, which can potentially lead to heart failure over time. Previously, our lab found that endothelia-specific knockout of

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by progressive increase of pulmonary vascular resistance and remodeling that result in right heart failure. Recessive mutations of EIF2AK4 gene (encoding GCN2, General control nonderepressibe 2 kinase) are linked to heritable pulmonary veno-occlusive disease (PVOD) in patients but rarely (approximately one percent) in PAH patients. The role of GCN2 kinase activation in the pathogenesis of PAH remains unclear. Here we show that GCN2 was hyperphosphorylated and activated in pulmonary vascular endothelial cells (ECs) of hypoxic mice, monocrotaline-treated rats, and PAH patients. Unexpectedly, loss of GCN2 kinase activity in Eif2ak4-/- mice with genetic disruption of the kinase domain induced neither PVOD nor PH but inhibited hypoxia-induced PH. RNA sequencing analysis suggested Endothelin-1 (Edn1) as a downstream target of GCN2. GCN2 mediated hypoxia-induced Edn1 expression in human lung ECs via HIF-2α. Restored Edn1 expression in ECs of Eif2ak4-/- mice partially reversed the reduced phenotype of hypoxia-induced PH. Furthermore, GCN2 kinase inhibitor A-92 treatment attenuated PAH in monocrotaline-treated rats. These studies demonstrate that GCN2 kinase activation mediates pulmonary vascular remodeling and PAH at least partially through Edn1. Thus, targeting GCN2 kinase activation is a promising therapeutic strategy for treatment of PAH in patients without EIF2AK4 loss of function mutations.

Introduction: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by a progressive increase of pulmonary vascular resistance and obliterative pulmonary vascular remodeling that result in right heart hypertrophy, failure, and premature death. The underlying mechanisms of loss of distal capillary endothelial cells (ECs) and obliterative vascular lesion formation remain unclear. Method and Results: Our recent single-cell RNA sequencing, spatial transcriptomics analysis, RNASCOPE, and immunostaining analysis showed that arterial ECs accumulation and loss of capillary ECs were evident in human PAH patients and pulmonary hypertension (PH) rodents. Pseudotime trajectory analysis of the single-cell RNA sequencing data suggests that lung capillary ECs transit to arterial ECs during the development of PH. Our study also identified CXCL12 as the marker for distal arterial ECs in PH. General capillary EC lineage tracing approach using Plvap-DreERT2; Tdtomato mice demonstrated that general capillary ECs gave rise to arterial ECs during PH development. Genetic deletion of HIF-2a or Notch4 neutralized antibodies normalized the arterial programming in PH. Conclusion: In conclusion, our study demonstrates that general capillary endothelium transits to arterial endothelium through the HIF-2a-Notch4 pathway during the development of PAH. Thus, targeting arterial EC transition might be a novel approach for treating PAH patients. Acknowledgment: This work was supported in part by NIH grants R00HL138278, R01HL158596, R01HL62794, R01HL169509, R01HL170096, AHA Career Development Award 20CDA35310084, The Cardiovascular Research and Education Foundation, Arizona Biomedical Research Centre funding (RFGA2022-01-06), and University of Arizona institution funding to Z.D.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a devastating disease characterized by obliterative vascular remodeling and persistent increase of vascular resistance, leading to right heart failure and premature death. Understanding the cellular and molecular mechanisms will help develop novel therapeutic approaches for PAH patients. Recent studies showed that FABP4 and FABP5 were expressed in ECs across multiple tissues and circulating FABP4 level was elevated in the PAH patients. However, the role of endothelial FABP4/5 in the pathogenesis of PAH remains undetermined.FABP4/5 expression was examined in pulmonary arterial endothelial cells (PAECs) and lung tissues from patients with idiopathic PAH (IPAH) and pulmonary hypertension (PH) rat models. Plasma proteome analysis was performed in human PAH samples. Echocardiography, hemodynamics, histology, and immunostaining were performed to evaluate the lung and heart PH phenotypes in Egln1Tie2Cre (CKO) mice and Egln1Tie2Cre/Fabp4-5-/- (TKO) mice. Bulk RNA sequencing (RNA-seq) and single-cell RNA-seq (scRNA-seq) analysis were performed to understand the cellular and molecular mechanisms of endothelial FABP4/5 mediated PAH pathogenesis.Both FABP4 and FABP5 were highly induced in ECs of CKO mice and PAECs from IPAH patients, and in whole lungs of PH rats. Plasma levels of FABP4/5 were upregulated in IPAH patients and directly correlated with severity of hemodynamics and biochemical parameters. Genetic deletion of both Fabp4 and 5 in CKO mice caused a reduction of right ventricular systolic pressure (RVSP) and RV hypertrophy, attenuated pulmonary vascular remodeling and prevented the right heart failure. Fabp4/5 deletion also normalized EC glycolysis, reduced ROS and HIF-2α expression, and decreased aberrant EC proliferation in CKO lungs.PH causes aberrant expression of FABP4/5 in pulmonary ECs which leads to enhanced ECs glycolysis and hyperproliferation, contributing to the accumulation of arterial ECs and vascular remodeling and exacerbating the disease.

Lung endothelial cells (ECs) are essential for maintaining organ function and homeostasis. Despite sharing some common features with ECs from organ systems, lung ECs exhibit significant heterogeneity in morphology, function, and gene expression. This heterogeneity is increasingly recognized as a key contributor to the development of pulmonary diseases like pulmonary hypertension (PH). In this mini-review, we explore the evolving understanding of lung EC heterogeneity, particularly through the lens of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technologies. These advances have provided unprecedented insights into the diverse EC subpopulations, their specific roles, and the disturbances in their homeostatic functions that contribute to PH pathogenesis. In particular, these studies identified novel and functionally distinct cell types such as aerocytes and general capillary ECs that are critical for maintaining lung function in health and disease. In addition, multiple novel pathways and mechanisms have been identified that contribute to aberrant pulmonary vascular remodeling in PH. Emerging techniques like single-nucleus RNA sequencing and spatial transcriptomics have further pushed the field forward by discovering novel disease mediators. As research continues to leverage these advanced techniques, the field is poised to uncover novel EC subtypes and disease mechanisms, paving the way for new therapeutic targets in PH and other lung diseases.