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.

Abstract Coronary artery disease (CAD) is a complex inflammatory disease involving genetic influences across several cell types. Genome-wide association studies (GWAS) have identified over 170 loci associated with CAD, where the majority of risk variants reside in noncoding DNA sequences impacting cis -regulatory elements (CREs). Here, we applied single-cell ATAC-seq to profile 28,316 cells across coronary artery segments from 41 patients with varying stages of CAD, which revealed 14 distinct cellular clusters. We mapped ~320,000 accessible sites across all cells, identified cell type-specific elements, transcription factors, and prioritized functional CAD risk variants via quantitative trait locus and sequence-based predictive modeling. We identified a number of candidate mechanisms for smooth muscle cell transition states and identified putative binding sites for risk variants. We further employed CRE to gene linkage to nominate disease-associated key driver transcription factors such as PRDM16 and TBX2. This single cell atlas provides a critical step towards interpreting cis -regulatory mechanisms in the vessel wall across the continuum of CAD risk.

BACKGROUND: We investigated the potential impact of antihypertensive drugs for atrial fibrillation (AF) prevention through a drug target Mendelian randomization study to avoid the potential limitations of clinical studies. METHODS: Validated published single-nucleotide polymorphisms (SNPs) that mimic the action of 12 antihypertensive drug classes, including alpha-adrenoceptor blockers, adrenergic neuron blockers, angiotensin-converting enzyme inhibitors, angiotensin-II receptor blockers, beta-adrenoceptor blockers, centrally acting antihypertensive drugs, calcium channel blockers, loop diuretics, potassium-sparing diuretics and mineralocorticoid receptor antagonists, renin inhibitors, thiazides and related diuretic agents, and vasodilators were used. We estimated, via their corresponding gene and protein targets, the downstream effect of these drug classes to prevent AF via systolic blood pressure using 2-sample Mendelian randomization analyses. The SNPs were extracted from 2 European genome-wide association studies for the drug classes (n=317 754; n=757 601) and 1 European genome-wide association study for AF (n=1 030 836). RESULTS: Drug target Mendelian randomization analyses supported the significant preventive causal effects of lowering systolic blood pressure per 10 mm Hg via alpha-adrenoceptor blockers (n=11 SNPs; odds ratio [OR], 0.34 [95% CI, 0.21–0.56]; P =2.74×10 −05 ), beta-adrenoceptor blockers (n=17 SNPs; OR, 0.52 [95% CI, 0.35–0.78]; P =1.62×10 −03 ), calcium channel blockers (n=49 SNPs; OR, 0.50 [95% CI, 0.36–0.70]; P =4.51×10 −05 ), vasodilators (n=19 SNPs; OR, 0.53 [95% CI, 0.34–0.84]; P =7.03×10 −03 ), and all 12 antihypertensive drug classes combined (n=158 SNPs; OR, 0.64 [95% CI, 0.54–0.77]; P =8.50×10 −07 ) on AF risk. CONCLUSIONS: Our results indicated that lowering systolic blood pressure via protein targets of various antihypertensive drugs seems promising for AF prevention. Our findings inform future clinical trials and have implications for repurposing antihypertensive drugs for AF prevention.

Abstract Coronary artery disease (CAD) and atherosclerosis are characterized by plaque formation in the arteries wall. CAD progression involves complex interactions and phenotypic plasticity within and between distinct vascular and immune cell lineages. Single-cell RNA-seq (scRNA-seq) studies have highlighted lineage-specific transcriptomic signatures, but the reported cell phenotypes in humans remain controversial. Here, we meta-analyzed four scRNA-seq datasets, creating the first map of human cell diversity in atherosclerosis. We generated an atlas of 118,578 high-quality cells, characterized cell-type diversity and provided insights into smooth muscle cell (SMC) phenotypic modulation, transcription factor activity and cell-cell communication. We integrated genome-wide association study (GWAS) data and uncovered a critical role for modulated SMC phenotypes in CAD and coronary calcification. Finally, we identified candidate markers of fibromyocyte and fibrochondrogenic human SMCs ( LTBP1 and CRTAC1 ) that may serve as proxies of atherosclerosis progression. Altogether, we created a unified cellular map of atherosclerosis informing cell state-specific mechanistic and translational studies of cardiovascular diseases.

SUMMARY Despite the emerging evidence implying early vascular contributions to neurogenerative syndromes, the role of vascular smooth muscle cells (VSMCs) in the pathogenesis of Alzheimer’s disease is still not well understood. Herein, we show that VSMCs in brains of AD patients and the animal model of the disease, are deficient in multiple VSMC-contractile markers which correlated with Tau accumulation in brain arterioles. Ex vivo and in vitro experiments demonstrated that VSMCs undergo dramatic phenotypic transitions under AD-like conditions, adopting pro-inflammatory and synthetic phenotypes. Notably, these changes coincided with Tau hyperphosphorylation at residues Y18, T205 and S262. We also observed that loss of VSMC markers occurred in an age-dependent manner, and that expression of Sm22α and α-Sma proteins were inversely correlated with CD68 and Tau accumulation in brain arterioles of 3xTg-AD mice. Together, these findings further support the contribution of VSMCs in AD pathogenesis, and nominate VSMCs as potential novel therapeutic target in AD. Graphical Abstract

BACKGROUND: Cell phenotype switching is increasingly being recognized in atherosclerosis. However, our understanding of the exact stimuli for such cellular transformations and their significance for human atherosclerosis is still evolving. Intraplaque hemorrhage is thought to be a major contributor to plaque progression in part by stimulating the influx of CD163 + macrophages. Here, we explored the hypothesis that CD163 + macrophages cause plaque progression through the induction of proapoptotic endothelial-to-mesenchymal transition (EndMT) within the fibrous cap. METHODS: Human coronary artery sections from CVPath’s autopsy registry were selected for pathological analysis. Athero-prone ApoE −/− and ApoE −/− /CD163 −/− mice were used for in vivo studies. Human peripheral blood mononuclear cell–induced macrophages and human aortic endothelial cells were used for in vitro experiments. RESULTS: In 107 lesions with acute coronary plaque rupture, 55% had pathological evidence of intraplaque hemorrhage in nonculprit vessels/lesions. Thinner fibrous cap, greater CD163 + macrophage accumulation, and a larger number of CD31/FSP-1 (fibroblast specific protein-1) double-positive cells and TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase-dUTP nick end labeling) positive cells in the fibrous cap were observed in nonculprit intraplaque hemorrhage lesions, as well as in culprit rupture sections versus nonculprit fibroatheroma sections. Human aortic endothelial cells cultured with supernatants from hemoglobin/haptoglobin-exposed macrophages showed that increased mesenchymal marker proteins (transgelin and FSP-1) while endothelial markers (VE-cadherin and CD31) were reduced, suggesting EndMT induction. Activation of NF-κB (nuclear factor kappa β) signaling by proinflammatory cytokines released from CD163 + macrophages directly regulated the expression of Snail, a critical transcription factor during EndMT induction. Western blot analysis for cleaved caspase-3 and microarray analysis of human aortic endothelial cells indicated that apoptosis was stimulated during CD163 + macrophage–induced EndMT. Additionally, CD163 deletion in athero-prone mice suggested that CD163 is required for EndMT and plaque progression. Using single-cell RNA sequencing from human carotid endarterectomy lesions, a population of EndMT was detected, which demonstrated significant upregulation of apoptosis-related genes. CONCLUSIONS: CD163 + macrophages provoke EndMT, which may promote plaque progression through fibrous cap thinning.

Background: Atherosclerotic plaques form unevenly due to disturbed blood flow, causing localized endothelial cell (EC) dysfunction. Obesity exacerbates this process, but the underlying molecular mechanisms are unclear. The transcription factor EPAS1 (HIF2A) has regulatory roles in endothelium, but its involvement in atherosclerosis remains unexplored. This study investigates the potential interplay between EPAS1, obesity, and atherosclerosis. Methods: Responses to shear stress were analysed using cultured porcine aortic EC exposed to flow in vitro coupled with metabolic and molecular analyses, and by en face immunostaining of murine aortic EC exposed to disturbed flow in vivo. Obesity and dyslipidemia were induced in mice via exposure to high-fat diet or through Leptin gene deletion. The role of Epas1 in atherosclerosis was evaluated by inducible endothelial Epas1 deletion, followed by hypercholesterolemia induction (AAV-PCSK9; high-fat diet). Results: En face staining revealed EPAS1 enrichment at sites of disturbed blood flow that are prone to atherosclerosis initiation. Obese mice exhibited substantial reduction in endothelial EPAS1 expression, correlating with hyperlipidaemia. Sulforaphane, a compound with known atheroprotective effects, restored EPAS1 expression and concurrently reduced plasma triglyceride levels in obese mice. Consistently, triglyceride derivatives (free fatty acids) suppressed EPAS1 in cultured EC by upregulating the negative regulator PHD3. Clinical observations revealed that reduced plasma EPAS1 correlated with increased endothelial PHD3 in obese individuals. Functionally, endothelial EPAS1 deletion increased lesion formation in hypercholesterolemic mice, indicating an atheroprotective function. Mechanistic insights revealed that EPAS1 protects arteries by maintaining endothelial proliferation by positively regulating CD36 and LIPG expression to increase fatty acid beta-oxidation. Conclusions: Endothelial EPAS1 attenuates atherosclerosis at sites of disturbed flow by maintaining EC proliferative via fatty acid uptake and metabolism. This endothelial repair pathway is inhibited in obesity, suggesting a novel triglyceride-PHD3 modulation pathway suppressing EPAS1 expression. These findings have implications for therapeutic strategies addressing vascular dysfunction in obesity.

Long noncoding RNAs (lncRNA) comprise an underlying regulatory network in the human genome that remains largely unexplored and could represent a molecular mechanism connecting GWAS risk variants with the disease causal genes. Human coronary artery smooth muscle cells (HCASMC) are one of the most important cells in the regulation of atherosclerotic disease progression. In this study, we aimed to discover the HCASMC-specific lncRNA collection and to explore the mechanistic relationship between HCAMSC lncRNAs with increased disease risk for coronary artery disease. We applied 6 different stimuli relevant to athero-condition, including stimulations with TGFbeta, TNFalpha, PDGFD and serum, and two transcription factor knock-downs TCF21 and SMAD3, and performed deep RNA sequencing on 48 HCASMC samples. We designed a lncRNA discovery pipeline to maximize the detection of tissue specific and low expressed lncRNAs. This generated a set of 53076 lncRNAs, that showed increased association with CAD GWAS variants, various HCASMC eQTL data sets and GTEx eQTLs for tissues enriched in smooth muscle. Module analysis revealed lncRNAs highly associated with TGFbeta and general pro-differentiation traits located in the CAD GWAS loci, such as, FES/FURIN, COL4A1/A2, CDKN2A/B, TGFB1, and FN1. Transcription factor motif analysis revealed the presence of HCASMC relevant factors, such as, TCF21, ZEB1, ZEB2, JUN, JUND, and an SRF cofactor ELK4, near the boundaries of HCASMC lncRNA. We defined lncRNA QTLs using the GTEx Coronary Artery dataset, and showed colocalization with other HCASMC QTLs, such as expression QTLs, chromatin looping QTLs, chromatin accessibility QTLs and TCF21 binding QTLs. We show several examples of CAD GWAS loci where lncRNAs show regulatory function, such as FES/FURIN, FN1, COL4A1/A2 and TGFB1. We unraveled a complex network of regulatory interactions at FES/FURIN locus, involving TCF21 and lncRNA 43779.9, and present a model in which TCF21 inhibited lncRNA 43779.9 regulates FES gene and indirectly the pro-differentiation FURIN gene by creating a looping interaction with the intron 1 of FES transcript. We define 5 regulatory variants at the FES/FURIN locus and propose a causal variant, rs35346340, that disrupts TCF21 binding and subsequently influences 43779.9 expression. Finally, we show the presence of lncRNAs in deeply sequenced TCF21 pooled ChIPSeq and discover TCF21 binding lncRNAs, 3938.1 and 3852.1 as ACTA2-regulating transcripts. This study defines lncRNAs as essential regulators of GWAS loci and shows the importance of using deep sequencing approach to further explore the genomic regulatory landscape of lncRNAs in human tissues.

Coronary artery disease (CAD) is the leading cause of death globally. Genome-wide association studies (GWAS) have identified more than 95 independent loci that influence CAD risk, most of which reside in non-coding regions of the genome. To interpret these loci, we generated transcriptome and whole-genome datasets using human coronary artery smooth muscle cells (HCASMC) from 52 unrelated donors, as well as epigenomic datasets using ATAC-seq on a subset of 8 donors. Through systematic comparison with publicly available datasets from GTEx and ENCODE projects, we identified transcriptomic, epigenetic, and genetic regulatory mechanisms specific to HCASMC. We assessed the relevance of HCASMC to CAD risk using transcriptomic and epigenomic level analyses. By jointly modeling eQTL and GWAS datasets, we identified five genes (SIPA1, TCF21, SMAD3, FES, and PDGFRA) that modulate CAD risk through HCASMC, all of which have relevant functional roles in vascular remodeling. Comparison with GTEx data suggests that SIPA1 and PDGFRA influence CAD risk predominantly through HCASMC, while other annotated genes may have multiple cell and tissue targets. Together, these results provide new tissue-specific and mechanistic insights into the regulation of a critical vascular cell type associated with CAD in human populations.

Abstract Background and Aims The atherosclerotic plaque microenvironment is highly complex, and selective agents that modulate plaque stability or other plaque phenotypes are not yet available. We sought to investigate the human atherosclerotic cellular environment using scRNA-seq to uncover potential therapeutic approaches. We aimed to make our workflow user-friendly, reproducible, and applicable to other disease-specific scRNA-seq datasets. Methods Here we incorporate automated cell labeling, pseudotemporal ordering, ligand-receptor evaluation, and drug-gene interaction analysis into an enhanced and reproducible scRNA-seq analysis workflow. Notably, we also developed an R Shiny based interactive web application to enable further exploration and analysis of the scRNA dataset. Results We applied this analysis workflow to a human coronary artery scRNA dataset and revealed distinct derivations of chondrocyte-like and fibroblast-like cells from smooth muscle cells (SMCs), and show the key changes in gene expression along their de-differentiation path. We highlighted several key ligand-receptor interactions within the atherosclerotic environment through functional expression profiling and revealed several attractive avenues for future pharmacological repurposing in precision medicine. Further, our interactive web application, PlaqView ( www.plaqview.com ), allows other researchers to easily explore this dataset and benchmark applicable scRNA-seq analysis tools without prior coding knowledge. Conclusions These results suggest novel effects of chemotherapeutics on the atherosclerotic cellular environment and provide future avenues of studies in precision medicine. This publicly available workflow will also allow for more systematic and user-friendly analysis of scRNA datasets in other disease and developmental systems. PlaqView allows for rapid visualization and analysis of atherosclerosis scRNA-seq datasets without the need of prior coding experience. Future releases of PlaqView will feature additional larger scRNA-seq and scATAC-seq atherosclerosis-related datasets, thus providing a critical resource for the field by promoting data harmonization and biological interpretation.