In response to various stimuli, vascular smooth muscle cells (SMCs) can de-differentiate, proliferate and migrate in a process known as phenotypic modulation. However, the phenotype of modulated SMCs in vivo during atherosclerosis and the influence of this process on coronary artery disease (CAD) risk have not been clearly established. Using single-cell RNA sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomic phenotype of modulated SMCs in vivo in atherosclerotic lesions of both mouse and human arteries and found that these cells transform into unique fibroblast-like cells, termed ‘fibromyocytes’, rather than into a classical macrophage phenotype. SMC-specific knockout of TCF21—a causal CAD gene—markedly inhibited SMC phenotypic modulation in mice, leading to the presence of fewer fibromyocytes within lesions as well as within the protective fibrous cap of the lesions. Moreover, TCF21 expression was strongly associated with SMC phenotypic modulation in diseased human coronary arteries, and higher levels of TCF21 expression were associated with decreased CAD risk in human CAD-relevant tissues. These results establish a protective role for both TCF21 and SMC phenotypic modulation in this disease. The human coronary artery disease gene TCF21 promotes the transformation of smooth muscle cells within atherosclerotic plaques into a newly identified population of fibroblast-like cells that contribute to plaque stability.

Atherosclerotic lesions in mice and humans switch on a ‘don’t eat me’ signal—expression of CD47—that prevents effective removal of diseased tissue; anti-CD47 antibody therapy can normalize this defective efferocytosis, with beneficial results in several mouse models of atherosclerosis. Nicholas Leeper and colleagues demonstrate that atherosclerotic lesions in mice and humans switch on a 'don't eat me' signal — in the form of expression of the anti-phagocytic transmembrane protein CD47 — that prevents effective removal of diseased tissue. They show that administration of anti-CD47 antibodies can normalize this defective phagocytic clearance (or ‘efferocytosis’) with beneficial results in several mouse models of atherosclerosis. These results suggest that targeted pro-efferocytic therapies could have potential in cardiovascular diseases. Atherosclerosis is the disease process that underlies heart attack and stroke1. Advanced lesions at risk of rupture are characterized by the pathological accumulation of diseased vascular cells and apoptotic cellular debris2. Why these cells are not cleared remains unknown3. Here we show that atherogenesis is associated with upregulation of CD47, a key anti-phagocytic molecule that is known to render malignant cells resistant to programmed cell removal, or ‘efferocytosis’4,5,6,7. We find that administration of CD47-blocking antibodies reverses this defect in efferocytosis, normalizes the clearance of diseased vascular tissue, and ameliorates atherosclerosis in multiple mouse models. Mechanistic studies implicate the pro-atherosclerotic factor TNF-α as a fundamental driver of impaired programmed cell removal, explaining why this process is compromised in vascular disease. Similar to recent observations in cancer5, impaired efferocytosis appears to play a pathogenic role in cardiovascular disease, but is not a fixed defect and may represent a novel therapeutic target.

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.

ABSTRACT Viruses such as SARS-CoV-2 infect the human body by forming interactions between virus proteins and human proteins. However, experimental methods to find protein interactions are inadequate: large scale experiments are noisy, and small scale experiments are slow and expensive. Inspired by the recent successes of deep neural networks, we hypothesize that deep learning methods are well-positioned to aid and augment biological experiments, hoping to help identify more accurate virus-host protein interaction maps. Moreover, computational methods can quickly adapt to predict how virus mutations change protein interactions with the host proteins. We propose DeepVHPPI, a novel deep learning framework combining a self-attention-based transformer architecture and a transfer learning training strategy to predict interactions between human proteins and virus proteins that have novel sequence patterns. We show that our approach outperforms the state-of-the-art methods significantly in predicting Virus–Human protein interactions for SARS-CoV-2, H1N1, and Ebola. In addition, we demonstrate how our framework can be used to predict and interpret the interactions of mutated SARS-CoV-2 Spike protein sequences. Availability We make all of our data and code available on GitHub https://github.com/QData/DeepVHPPI . ACM Reference Format Jack Lanchantin, Tom Weingarten, Arshdeep Sekhon, Clint Miller, and Yanjun Qi. 2021. Transfer Learning for Predicting Virus-Host Protein Interactions for Novel Virus Sequences. In Proceedings of ACM Conference (ACM-BCB) . ACM, New York, NY, USA, 10 pages. https://doi.org/??

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: 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.

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: 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 analyzed 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 a 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 (adeno-associated virus-PCSK9 [proprotein convertase subtilisin/kexin type 9]; 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. 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 PHD2. Clinical observations revealed that reduced serum EPAS1 correlated with increased endothelial PHD2 and 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 the expression of the fatty acid-handling molecules CD36 and LIPG to increase fatty acid beta-oxidation. CONCLUSIONS: Endothelial EPAS1 attenuates atherosclerosis at sites of disturbed flow by maintaining EC proliferation via fatty acid uptake and metabolism. This endothelial repair pathway is inhibited in obesity, suggesting a novel triglyceride-PHD2 modulation pathway suppressing EPAS1 expression. These findings have implications for therapeutic strategies addressing vascular dysfunction in obesity.