Continuous intravenous infusion of epoprostenol (prostacyclin) is an effective treatment for primary pulmonary hypertension. This approach requires the insertion of a permanent central venous catheter, with the associated risk of serious complications. Recently, aerosolized iloprost, a stable prostacyclin analogue, has been introduced as an alternative therapy for severe pulmonary hypertension.

Dysfunctional bone morphogenetic protein receptor-2 (BMPR2) signaling is implicated in the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension (PAH). We used a transcriptional high-throughput luciferase reporter assay to screen 3,756 FDA-approved drugs and bioactive compounds for induction of BMPR2 signaling. The best response was achieved with FK506 (tacrolimus), via a dual mechanism of action as a calcineurin inhibitor that also binds FK-binding protein-12 (FKBP12), a repressor of BMP signaling. FK506 released FKBP12 from type I receptors activin receptor-like kinase 1 (ALK1), ALK2, and ALK3 and activated downstream SMAD1/5 and MAPK signaling and ID1 gene regulation in a manner superior to the calcineurin inhibitor cyclosporine and the FKBP12 ligand rapamycin. In pulmonary artery endothelial cells (ECs) from patients with idiopathic PAH, low-dose FK506 reversed dysfunctional BMPR2 signaling. In mice with conditional Bmpr2 deletion in ECs, low-dose FK506 prevented exaggerated chronic hypoxic PAH associated with induction of EC targets of BMP signaling, such as apelin. Low-dose FK506 also reversed severe PAH in rats with medial hypertrophy following monocrotaline and in rats with neointima formation following VEGF receptor blockade and chronic hypoxia. Our studies indicate that low-dose FK506 could be useful in the treatment of PAH.

Abstract Protein tyrosine kinase (PTK) inhibition is efficacious in treating conditions ranging from cancer to fibrosis but can be limited by endothelial cell dysfunction. In trials of protein tyrosine kinase inhibitors (TKIs) a broad range of vascular effects is observed, inducing clinically detrimental endothelial cell apoptosis, impaired barrier function, or improved pulmonary vascular resistance in pulmonary arterial hypertension (PAH). We hypothesize this range of effects is due to subsets of PTKs either impairing or promoting endothelial homeostasis by modulating Bone Morphogenetic Protein receptor 2 (BMPR2) signaling, a pathway essential for vascular development and dysfunctional in PAH. In a high-throughput siRNA screen we find SRC-Family B PTKs activate whereas SRC-Family A PTKs suppress BMPR2 signaling, measured by the transcription factor inhibitor of differentiation 1 (Id1). Induced loss of function of the strongest ID1 activating PTK LCK (a Src-B kinase) in human pulmonary artery endothelial cells suppresses BMPR2 signaling and induces multiple measures of endothelial dysfunction. However, loss of function of the strongest ID1 inhibitor PTK FYN (a Src- A kinase) does the opposite. Whole-genome transcriptional analysis identifies two multi-gene signatures inversely regulated by LCK and FYN we term “endothelial” and “inflammatory”. To find TKIs mimicking selective Src-A and Src-B inhibition, we use Connectivity map to identify drugs connecting to the endothelial and inflammatory signatures. We find several TKIs: a pro-inflammatory (Regorafanib), a BMPR2 potentiating (Brivanib), and a BMPR2 suppressing (Quizartinib). Here we show a dichotomy in pathway regulation by Src- A and -B kinases that may have utility in transcriptionally based drug discovery.

Abstract This study shows that the long non-coding RNA RGMB-AS1 is upregulated in the blood and pulmonary vascular cells of PAH patient and that it regulates BMPR2 signaling. Inhibiting RGMB-AS1 increases BMPR2 signaling and improves pulmonary vascular cell function.

Abstract Hereditary Hemorrhagic Telangiectasia (HHT) is an autosomal dominant disease that causes arteriovenous vascular malformations (AVMs) in different organs, including the lung. Three genes, ENG (endoglin), ACVRL1 (ALK1) and SMAD4, all members of the TGF-β/BMPR2 signaling pathway, are responsible for over 85% of all HHT cases. However, how these loss-of-function gene mutations lead to AVMs formation and what common downstream signaling they target is unknown. Here, using a combination of siRNA-mediated gene silencing, whole transcriptomic RNA sequencing, bioinformatic analysis, transcriptomic-based drug discovery, endothelial cells functional assays and VEGF signaling analysis, and ex vivo precision cut lung slice (PCLS) cultures approach, we uncovered common downstream transcriptomic gene signatures of HHT-casing genes and identified promising drug for HHT. We found the commonly used BMPR2-signaling downstream target ID1 is not a common downstream target of all the three HHT genes knockdown in human pulmonary microvascular endothelial cells (PMVECs). We identified novel common downstream targets of all the three HHT-causing genes that were enriched for HHT-related biological process and signaling pathways. Among those downstream genes, LYVE1, GPNMB, and MC5R were strong downstream targets that could serve as a better common downstream target than ID1. Furthermore, using the common downstream upregulated genes (HHT disease signature) following HHT gene knockdown, we identified a small molecule drug, Brivanib, that reversed the HHT disease signature, and inhibited VEGF-induced ERK1/2 phosphorylation, proliferation, and angiogenesis in PMVECs and inhibited some of the upregulated HHT disease genes in PCLS. Our findings suggest that Brivanib could be an emerging new drug for HHT.

ELK3 is upregulated in blood and pulmonary vascular cells of PAH patients and may play a significant role in PAH potentially through modulating BMPR2 signaling.

Abstract The laboratory rat emerges as a useful tool for studying the interaction between the host and its microbiome. To advance principles relevant to the human microbiome, we systematically investigated and defined a multi-tissue full lifespan microbial biogeography for healthy Fischer 344 rats. Microbial community profiling data was extracted and integrated with host transcriptomic data from the Sequencing Quality Control (SEQC) consortium. Unsupervised machine learning, Spearman’s correlation, taxonomic diversity, and abundance analyses were performed to determine and characterize the rat microbial biogeography and the identification of four inter-tissue microbial heterogeneity patterns (P1-P4). The 11 body habitats harbor a greater diversity of microbes than previously suspected. Lactic acid bacteria (LAB) abundances progressively declined in lungs from breastfeed newborn to adolescence/adult and was below detectable levels in elderly rats. LAB’s presence and levels in lungs were further evaluated by PCR in the two validation datasets. The lung, testes, thymus, kidney, adrenal, and muscle niches were found to have age-dependent alterations in microbial abundance. P1 is dominated by lung samples. P2 contains the largest sample size and is enriched for environmental species. Liver and muscle samples were mostly classified into P3. Archaea species were exclusively enriched in P4. The 357 pattern-specific microbial signatures were positively correlated with host genes in cell migration and proliferation (P1), DNA damage repair and synaptic transmissions (P2), as well as DNA transcription and cell cycle in P3. Our study established a link between metabolic properties of LAB with lung microbiota maturation and development. Breastfeeding and environmental exposure influence microbiome composition and host health and longevity. The inferred rat microbial biogeography and pattern-specific microbial signatures would be useful for microbiome therapeutic approaches to human health and good quality of life. Graphical Abstract

Abstract Bone morphogenic protein receptor 2 (BMPR2) expression and signaling are impaired in pulmonary arterial hypertension (PAH). How BMPR2 signaling is decreased in PAH is poorly understood. Protein tyrosine phosphatases (PTPs) play important roles in vascular remodeling in PAH. To identify whether PTPs modify BMPR2 signaling we used a siRNA-mediated high throughput screening of 22,124 murine genes in mouse myoblastoma reporter cells using ID1 expression as read-out for BMPR2 signaling. We further experimentally validated the top hit, PTPN1 (PTP1B), in human healthy pulmonary arterial endothelial cells (PAECs) either silenced by siRNA or exposed to hypoxia and confirmed its relevance to PAH by measuring PTPN1 levels in blood and PAECs collected from PAH patients. We identified PTPN1 as a novel regulator of BMPR2 signaling in PAECs, which is downregulated in the blood of PAH patients and documented that downregulation of PTPN1 is linked to endothelial dysfunction in PAECs. These findings point to a potential involvement for PTPN1 in PAH and will aid in our understanding of the molecular mechanisms involved in the disease.