Rationale: Atherosclerotic lesions are known for their cellular heterogeneity, yet the molecular complexity within the cells of human plaques has not been fully assessed. Objective: Using single-cell transcriptomics and chromatin accessibility, we gained a better understanding of the pathophysiology underlying human atherosclerosis. Methods and Results: We performed single-cell RNA and single-cell ATAC sequencing on human carotid atherosclerotic plaques to define the cells at play and determine their transcriptomic and epigenomic characteristics. We identified 14 distinct cell populations including endothelial cells, smooth muscle cells, mast cells, B cells, myeloid cells, and T cells and identified multiple cellular activation states and suggested cellular interconversions. Within the endothelial cell population, we defined subsets with angiogenic capacity plus clear signs of endothelial to mesenchymal transition. CD4 + and CD8 + T cells showed activation-based subclasses, each with a gradual decline from a cytotoxic to a more quiescent phenotype. Myeloid cells included 2 populations of proinflammatory macrophages showing IL (interleukin) 1B or TNF (tumor necrosis factor) expression as well as a foam cell-like population expressing TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2) and displaying a fibrosis-promoting phenotype. ATACseq data identified specific transcription factors associated with the myeloid subpopulation and T cell cytokine profiles underlying mutual activation between both cell types. Finally, cardiovascular disease susceptibility genes identified using public genome-wide association studies data were particularly enriched in lesional macrophages, endothelial, and smooth muscle cells. Conclusions: This study provides a transcriptome-based cellular landscape of human atherosclerotic plaques and highlights cellular plasticity and intercellular communication at the site of disease. This detailed definition of cell communities at play in atherosclerosis will facilitate cell-based mapping of novel interventional targets with direct functional relevance for the treatment of human disease.

Abstract Ischemic heart disease is globally the leading cause of death. It plays a central role in the electrical and structural remodeling of the right atrium, predisposing to arrhythmias, heart failure, and sudden death. Here, we provide the first dissection of the gene expression changes in the live right atrial tissue, using single-nuclei RNA-seq and spatial transcriptomics. We investigate matched samples of the tissue and pericardial fluid and reveal substantial differences in disease- associated gene expression in all cell types, leading to inflammatory microvascular dysfunction and changes in the tissue composition. Our study demonstrates the importance of creating high- resolution cellular maps and partitioning disease signals beyond epicardial coronary arteries and ischemic left ventricle to identify candidate mechanisms leading to more severe types of human cardiovascular disease. One-Sentence Summary Single-cell dissection of ex vivo heart biopsies and pericardial fluid in ischemic heart disease and heart failure

ABSTRACT Coronary artery disease (CAD) is the leading cause of death worldwide. Recent meta-analyses of genome-wide association studies (GWAS) have identified over 175 loci associated with CAD. The majority of these loci are in non-coding regions and are predicted to regulate gene expression. Given that vascular smooth muscle cells (SMCs) play critical roles in the development and progression of CAD, we hypothesized that a subset of the CAD GWAS risk loci are associated with the regulation of transcription in distinct SMC phenotypes. Here, we measured gene expression in SMCs isolated from the ascending aortas of 151 ethnically diverse heart transplant donors in quiescent or proliferative conditions and calculated the association of their expression and splicing with ∼6.3 million imputed single nucleotide polymorphism (SNP) markers across the genome. We identified 4,910 expression and 4,412 splice quantitative trait loci (sQTL) that represent regions of the genome associated with transcript abundance and splicing. 3,660 of the eQTLs had not been observed in the publicly available Genotype-Tissue Expression dataset. Further, 29 and 880 of the eQTLs were SMC- and sex-specific, respectively. To identify the effector transcript(s) regulated by CAD GWAS loci, we used four distinct colocalization approaches and identified 84 eQTL and 164 sQTLs that colocalized with CAD loci, highlighting the importance of genetic regulation of mRNA splicing as a molecular mechanism for CAD genetic risk. Notably, 20% and 35% of the eQTLs were unique to quiescent or proliferative SMCs, respectively. Two CAD loci colocalized with a SMC sex-specific eQTL ( AL160313.1 and TERF2IP ) and another locus colocalized with SMC-specific eQTL ( ALKBH8 ). Also, 27% and 37% of the sQTLs were unique to quiescent or proliferative SMCs, respectively. The most significantly associated CAD locus, 9p21, was an sQTL for the long non-coding RNA CDKN2B-AS1 , also known as ANRIL , in proliferative SMCs. Collectively, these results provide evidence for the molecular mechanisms of genetic susceptibility to CAD in distinct SMC phenotypes.

Abdominal obesity increases the risk for non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), now known as metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD).

ABSTRACT Folate receptor β (FR-β) is one of the markers expressed on macrophages and a promising target for imaging of inflammation. Here, we report the radiosynthesis and preclinical evaluation of [ 68 Ga]Ga-NOTA-folate ( 68 Ga-FOL). First, we determined the affinity of 68 Ga-FOL using human FR-β expressing cells. Then, we studied atherosclerotic mice with 68 Ga-FOL and 18 F-FDG PET/CT. After sacrifice, the tissues excised were measured with a γ-counter for ex vivo biodistribution. Further, the tracer distribution and co-localization with macrophages in aorta cryosections were studied using autoradiography, hematoxylin-eosin staining and immunostaining with anti-Mac-3 antibody. Specificity of 68 Ga-FOL was assessed in a blocking study with excess of folate glucosamine. As a last step, human radiation doses were extrapolated from rat PET data. We were able to produce 68 Ga-FOL at high radioactivity concentration, with high molar activity and radiochemical purity. The cell binding studies showed high (5.1 ± 1.1 nM) affinity of 68 Ga-FOL to FR-β. The myocardial uptake of 68 Ga-FOL (SUV 0.43 ± 0.06) was 20-folds lower compared to 18 F-FDG (SUV 10.6 ± 1.8, P = 0.001). The autoradiography and immunohistochemistry of aorta revealed that 68 Ga-FOL radioactivity co-localized with Mac-3-positive macrophage-rich atherosclerotic plaques. The plaque-to-healthy vessel wall ratio of 68 Ga-FOL (2.44 ± 0.15) was significantly higher than that of 18 F-FDG (1.93 ± 0.22, P = 0.005). Blocking studies verified 68 Ga-FOL specificity to FR. As estimated from rat data the human effective dose was 0.0105 mSv/MBq. The organ with highest absorbed dose was kidney (0.1420 mSv/MBq). In conclusion, 68 Ga-FOL is a promising new FR-β-targeted tracer for imaging macrophage-associated inflammation. TABLE OF CONTENT/ABSTRACT GRAPHIC

Abstract Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease which is driven in part by the aberrant trans -differentiation of vascular smooth muscle cells (SMCs). No therapeutic drug has been shown to reverse detrimental SMC-derived cell phenotypes into protective phenotypes, a hypothesized enabler of plaque regression and improved patient outcome. Herein, we describe a novel function of colchicine in the beneficial modulation of SMC-derived cell phenotype, independent of its conventional anti-inflammatory effects. Using SMC fate mapping in an advanced atherosclerotic lesion model, colchicine induced plaque regression by converting pathogenic SMC-derived macrophage-like and osteoblast-like cells into protective myofibroblast-like cells which thickened, and thereby stabilized, the fibrous cap. This was dependent on Notch3 signaling in SMC-derived plaque cells. These findings may help explain the success of colchicine in clinical trials relative to other anti-inflammatory drugs. Thus, we demonstrate the potential of regulating SMC phenotype in advanced plaque regression through Notch3 signaling, in addition to the canonical anti-inflammatory actions of drugs to treat atherosclerosis.

ABSTRACT Olfactory dysfunction manifests early in several neurodegenerative disorders. Olfaction is orchestrated by olfactory mucosal cells located in the upper nasal cavity. However, it is unclear how this tissue reflects key neurodegenerative features in Alzheimer’s disease. Here we report that Alzheimer’s disease olfactory mucosal cells obtained from live individuals secrete toxic amyloid-beta. We detail cell-type-specific gene expression patterns, unveiling 147 differentially expressed disease-associated genes compared to the cognitively healthy controls, and 5 distinct populations in globose basal cell -, myofibroblast-, and fibroblast/ stromal – like cells in vitro . Overall, coordinated alteration of RNA and protein metabolism, inflammatory processes and signal transduction were observed in multiple cell populations, suggesting a key role in pathophysiology. Our results demonstrate the potential of olfactory cell cultures in modelling Alzheimer’s disease advocate their use for diagnostic purposes. Moreover, for the first time we provide single cell data on olfactory mucosa in Alzheimer’s disease for investigating molecular and cellular mechanisms associated with the disease.

Abstract Functional consequences of genetic variation in the non-coding human genome are difficult to ascertain despite demonstrated associations to common, complex disease traits. To elucidate properties of functional non-coding SNPs with effects in human endothelial cells (EC), we utilized molecular Quantitative Trait Locus (molQTL) analysis for transcription factor binding, chromatin accessibility, and H3K27 acetylation to nominate a set of likely functional non-coding SNPs. Together with information from genome-wide association studies for vascular disease traits, we tested the ability of 34,344 variants to perturb enhancer function in ECs using the highly multiplexed STARR-seq assay. Of these, 5,592 variants validated, whose enriched attributes included: 1) mutations to TF binding motifs for ETS or AP1 that are regulators of EC state, 2) location in accessible and H3K27ac-marked EC chromatin, and 3) molQTLs associations whereby alleles associate with differences in chromatin accessibility and TF binding across genetically diverse ECs. Next, using pro-inflammatory IL1B as an activator of cell state, we observed robust evidence (>50%) of context-specific SNP effects, underscoring the prevalence of non-coding gene-by-environment (GxE) effects. Lastly, using these cumulative data, we fine-mapped vascular disease loci and highlight evidence suggesting mechanisms by which non-coding SNPs at two loci affect risk for Pulse Pressure/Large Artery Stroke, and Abdominal Aortic Aneurysm through respective effects on transcriptional regulation of POU4F1 and LDAH . Together, we highlight the attributes and context dependence of functional non-coding SNPs, and provide new mechanisms underlying vascular disease risk.

Background: Sporadic venous malformation (VM) and angiomatosis of soft tissue (AST) are benign, congenital vascular anomalies affecting venous vasculature. Depending on the size and location of the lesion, symptoms vary from motility disturbances to pain and disfigurement. Due to high recurrence of the lesions more effective therapies are needed. Methods: As targeting stromal cells has been an emerging concept in anti-angiogenic therapies, here, by using VM/AST patient samples, RNA-sequencing, cell culture techniques and a xenograft mouse model, we investigated the crosstalk of endothelial cells (EC) and fibroblasts and its effect on vascular lesion growth. Results: We report, for the first time, expression and secretion of transforming growth factor A (TGFA) in ECs or intervascular stromal cells in AST and VM lesions. TGFA induced secretion of VEGF-A paracrinally, and regulated EC proliferation. Oncogenic PIK3CA variant in p.H1047R, a common somatic mutation found in these lesions, increased TGFA expression, enrichment of hallmark hypoxia, and in a mouse xenograft model, lesion size and vascularization. Treatment with afatinib, a pan-ErbB tyrosine-kinase inhibitor, decreased vascularization and lesion size in mouse xenograft model with ECs expressing oncogenic PIK3CA p.H1047R variant and fibroblasts. Conclusions: Based on the data, we suggest that targeting of both intervascular stromal cells and ECs is a potential treatment strategy for vascular lesions having a fibrous component. Funding: Academy of Finland, Ella and Georg Ehnrooth foundation, the ERC grants, Sigrid Jusélius Foundation, Finnish Foundation for Cardiovascular Research, Jane and Aatos Erkko Foundation, and Department of Musculosceletal and Plastic Surgery, Helsinki University Hospital.

ABSTRACT MicroRNAs (miRNAs) are a class of regulatory non-coding RNAs that finetune cellular functions by modulating the stability and abundance of their target mRNAs, thereby contributing to regulation of tissue homeostasis. MiRNA genes are transcribed similarly to protein-coding genes and recent studies have enabled their annotation and quantification genome-wide from bulk nascent transcriptomes. Here, we developed an approach to quantify and integrate miRNA gene signatures into single-cell studies. To characterize miRNA gene expression dynamics, we first compared the suitability of droplet and plate-based single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) platforms using the matched datasets provided by the Tabula Muris Senis and Tabula Sapiens consortiums. We found high concordance between the platforms and with cell type-specific bulk expression data. Based on the comprehensive aging profiles, our analysis comparing spleen immune cells between young and old mice revealed a concordant regulation of miRNAs involved in senescence and inflammatory pathways in multiple immune cell types, including up-regulation of mmu-mir-146a, mmu-mir-101a and mmu-mir-30 family genes. To study the aberrant regulation of immune cell homeostasis and tissue inflammation that pre-dispose to aging-related disease development, we collected transcriptome profiles from atherosclerosis development in LDLR -/- ApoB 100/100 mice. We found an elevated myeloid cell proportion in the adipose tissue and further characterized the cell subtypes based on reproducible transcriptome clusters. We then compared miRNA gene expression in early versus late disease and upon inflammatory challenge to monitor different stages during disease progression. At atherosclerotic stage, pro-inflammatory mmu-mir-511 expression increased in several macrophage subtypes, while immunosuppressive mmu-mir-23b∼mir-24-2∼mir-27b up-regulation was specific to Trem2+ lipid-associated macrophages. The infiltrating monocytes up-regulated mmu-mir-1938 and mmu-mir-22 expression and in classical monocytes maturation further increased mmu-mir-221∼222, mmu-mir-511 and mmu-mir-155 expression. To validate that these changes detected from single cell profiles represent miRNA gene transcriptional regulation, we used nascent transcriptomics data from ex vivo macrophage cultures with pro-inflammatory stimulation, confirming both rapid and long-lasting transcriptional activation of the miRNA loci studied. Collectively, our work enables integrating miRNA gene analysis to current single cell genomics pipelines and facilitates characterization of miRNA regulatory networks during aging and disease development.