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.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells into T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a fourfold increase in the number of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

This paper describes a method based on sib-selection to isolate rare human pluripotent stem cell clones with a precise engineered mutation. Precise editing of human genomes in pluripotent stem cells by homology-driven repair of targeted nuclease–induced cleavage has been hindered by the difficulty of isolating rare clones. We developed an efficient method to capture rare mutational events, enabling isolation of mutant lines with single-base substitutions without antibiotic selection. This method facilitates efficient induction or reversion of mutations associated with human disease in isogenic human induced pluripotent stem cells.

ABSTRACT RNA binding motif protein 20 (RBM20) is a key regulator of alternative splicing in the heart, and its mutation leads to malignant dilated cardiomyopathy (DCM). To understand the mechanism of RBM20-associated DCM, we engineered isogenic human induced pluripotent stem cells (iPSCs) with heterozygous or homozygous DCM-associated missense mutations in RBM20 (R636S) as well as RBM20 knockout (KO) iPSCs. iPSC-derived engineered heart tissues made from these cell lines recapitulated contractile dysfunction of RBM20-associated DCM and revealed greater dysfunction with missense mutations than KO. Analysis of RBM20 RNA binding by eCLIP revealed a gain-of-function preference of mutant RBM20 for 3′ UTR sequences that are shared with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and processing-body associated RNA binding proteins (FUS, DDX6). Deep RNA sequencing revealed that the RBM20 R636S mutant has unique gene, splicing, polyadenylation and circular RNA defects that differ from RBM20 KO, impacting distinct cardiac signaling pathways. Splicing defects specific to KO or R636S mutations were supported by data from R636S gene-edited pig hearts and eCLIP. Super-resolution microscopy verified that mutant RBM20 maintains limited nuclear localization potential; rather, the mutant protein associates with cytoplasmic processing bodies (DDX6) under basal conditions, and with stress granules (G3BP1) following acute stress. Taken together, our results highlight a novel pathogenic mechanism in cardiac disease through splicing-dependent and -independent pathways that are likely to mediate differential contractile phenotypes and stress-associated heart pathology.

Abstract Atherosclerotic plaques consist mostly of smooth muscle cells (SMC), and genes that influence SMC biology can modulate coronary artery disease (CAD) risk. Allelic variation at 15q22.33 has been identified by genome-wide association studies to modify the risk of CAD, and is associated with expression of SMAD3 in SMC, but the mechanism by which this gene modifies CAD risk remains poorly understood. SMC-specific deletion of Smad3 in a murine atherosclerosis model resulted in greater plaque burden, positive remodeling, and increased vascular calcification. Single-cell transcriptomic analyses revealed that loss of Smad3 altered SMC progeny phenotype toward the previously described chondromyocyte fate, but importantly also promoted transition to a novel cell-state that governs remodeling and recruitment of inflammatory cells. This new remodeling population was marked by uniquely high Mmp3 and Cxcl12 expression, and its appearance correlated with higher-risk plaque features such as increased positive remodeling and macrophage content. Further, investigation of transcriptional mechanisms by which Smad3 alters SMC cell-fate revealed novel roles for Hox and Sox transcription factors whose direct interaction with Smad3 regulate an extensive transcriptional program balancing remodeling and vascular ECM with significant implications for human Mendelian aortic aneurysmal diseases. Together, these data suggest that Smad3 expression in SMC inhibits the emergence of specific SMC phenotypic transition cells that mediate adverse plaque features, including positive remodeling, monocyte recruitment, and vascular calcification.

Abstract Background To investigate the epigenetic and transcriptional mechanisms of coronary artery disease (CAD) risk, as well as the functional regulation of chromatin structure and function, we have created a catalog of genetic variants associated with three stages of transcriptional cis -regulation in primary human coronary artery vascular smooth muscle cells (HCASMC). Results To this end, we have used a pooling approach with HCASMC lines to map regulatory variation that mediates binding of the CAD associated transcription factor TCF21 with ChIPseq studies (bQTLs), variation that regulates chromatin accessibility with ATACseq studies (caQTLs), and chromosomal looping with HiC methods (clQTLs). We show significant overlap of the QTLs, and their relationship to smooth muscle specific genes and the binding of smooth muscle transcription factors. Further, we use multiple analyses to show that these QTLs are highly associated with CAD GWAS loci and correlated to lead SNPs in these loci where they show allelic effects. We have verified with genome editing that identified functional variants can regulate both chromatin accessibility and chromosomal looping, providing new insights into functional mechanisms regulating chromatin state and chromosomal structure. Finally, we directly link the disease associated TGFβ1-SMAD3 pathway to the CAD associated FN1 gene through a response QTL that modulates both chromatin accessibility and chromosomal looping. Conclusions Together, these studies represent the most thorough mapping of multiple QTL types in a highly disease relevant primary cultured cell type, and provide novel insights into their functional overlap and mechanisms that underlie these genomic features and their relationship to disease risk.

Abstract Introduction Smooth muscle cells (SMC) play a critical role in atherosclerosis. The Aryl hydrocarbon receptor (AHR) is an environment-sensing transcription factor that contributes to vascular development, and has been implicated in coronary artery disease (CAD) risk. We hypothesized that AHR can affect atherosclerosis by regulating phenotypic modulation of SMC. Methods We combined RNA-Seq, ChIP-Seq, ATAC-Seq and in-vitro assays in human coronary artery SMC (HCASMC), with single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq), histology, and RNAscope in an SMC-specific lineage-tracing Ahr knockout mouse model of atherosclerosis to better understand the role of AHR in vascular disease. Results Genomic studies coupled with functional assays in cultured HCASMC revealed that AHR modulates HCASMC phenotype and suppresses ossification in these cells. Lineage tracing and activity tracing studies in the mouse aortic sinus showed that the Ahr pathway is active in modulated SMC in the atherosclerotic lesion cap. Furthermore, scRNA-Seq studies of the SMC-specific Ahr knockout mice showed a significant increase in the proportion of modulated SMC expressing chondrocyte markers such as Col2a1 and Alpl , which localized to the lesion neointima. These cells, which we term “chondromyocytes” (CMC), were also identified in the neointima of human coronary arteries. In histological analyses, these changes manifested as larger lesion size, increased lineage-traced SMC participation in the lesion, decreased lineage-traced SMC in the lesion cap, and increased alkaline phosphatase activity in lesions in the Ahr knockout compared to wild-type mice. We propose that AHR is likely protective based on these data and inference from human genetic analyses. Conclusion Overall, we conclude that AHR promotes maintenance of lesion cap integrity and diminishes the disease related SMC-to-CMC transition in atherosclerotic tissues.

Despite decades of progress, coronary artery disease (CAD) remains the top cause of death worldwide. Additionally, trends in outcomes have worsened recently, highlighting the critical need for additional treatments. Human genetics has identified over 300 loci associated with CAD, but understanding the molecular mechanisms leading to disease remains a huge barrier to developing new therapies. These CAD-associated loci are enriched in smooth muscle cells (SMC) of the vascular wall, but no current therapies target these cells. Since insulin resistance is an important risk factor for CAD, understanding the molecular functions of genes associated with both insulin resistance and CAD will prioritize therapeutic candidates, especially if expressed in SMCs. One promising candidate is the gene PRDM16 (PR domain containing 16), which is highly expressed in vascular tissue. PRDM16 regulates cell fate decisions and insulin resistance in adipose tissue, but its role in atherosclerosis and SMC function is unknown. Recent advances in lineage tracing and conditional SMC knockout mouse models in conjunction with single cell technologies have demonstrated the cellular trajectories of SMC into several cellular states, including fibromyocytes (FMC) and chondromyocytes (CMC). Here, we employ this innovative approach to understand the role of Prdm16 on SMC phenotypic modulation in vivo and its role in the development of FMC and CMC. We also demonstrate the impact of Prdm16 in atherosclerosis and other important lesion characteristics relating to disease risk. We validate these effects in vitro and employ epigenetic analysis to identify the gene regulatory mechanisms whereby PRDM16 mediates its effects on SMC phenotypic modulation. Collectively these data demonstrate that PRDM16 is a causal factor that promotes risk of CAD.

We have recently identified rs2019090 and PDGFD as the functional variant and gene mediating CAD risk at the 11q22.3 locus, with our initial analysis using a global knockout (KO) model showing that this gene may promote phenotypic changes in smooth muscle cells (SMCs) in the plaque and contribute to neointimal vascular calcification. Nonetheless, the specific cell-type and phenotypic states through which PDGFD may confer disease risk remains unexplored.To delineate the impact of SMC-derived PDGFD signalling on cell state transitions and plaque progression in atherosclerosis, we have developed a novel SMC-specific lineage tracing and Pdgfd KO mouse ( Pdgfd ΔSMC/ΔSMC , Myh11 CreERT2 , ROSA tdT/+ , ApoE -/- ) allowing us to confidently define the impact of SMC-derived Pdgfd in the vascular SMC lineage as well as in neighbouring populations. Leveraging our lineage tracing KO mutants on a hypercholesterolemic diet, we have employed single cell RNA sequencing (scRNAseq) and histological analyses to characterize the cellular and molecular effect of Pdgfd in vascular disease. SMC-specific Pdgfd deletion resulted in alterations in the distribution of transitioning SMC populations, as well as previously unexplored gene expression differences within these cell types. This was accompanied by a significant reduction in atherosclerotic burden and plaque size across the aorta, including aortic root as well as descending abdominal aorta. Histological analysis revealed decreased monocyte recruitment, show by quantifying CD68+ cells within the plaque. To explore this further we interrogated the scRNAseq dataset to identify major pathways of cell-cell communication and the impact of altered Pdgfd signalling across different cell types. Overall, these data reveal that SMC-derived PDGFD substantially alters lesional SMC cell phenotype transitions, as well as inflammatory cell recruitment, implicating it as a major regulator of atherosclerotic disease progression.

The fibrous cap of atherosclerotic plaques is essential for the plaque stability. Rupture of the fibrous cap leads to heart attacks and strokes, and causes tens of millions of deaths globally every year. Identifying and understanding the cellular origins and plasticity of the fibrous cap is critical to developing therapeutic strategies to stabilize the atherosclerotic plaques. Utilizing the lineage tracing mouse model, we demonstrated that fibrous cap cells arise from a predefined population of cells that expresses Notch3 at baseline. After pulse-labeling the Notch3 CreERT2 ; ROSA lsltdTomato ; Apoe -/- mice with tamoxifen before high fat diet and then feeding them with high fat diet for 16 weeks, Notch3 lineage traced cells stain positive for SMC markers (TAGLN, CNN1) and are nearly exclusively found at the fibrous cap in multiple atherosclerotic prone beds. Furthermore, Notch3-lineage traced SMCs and chondrogenic SMCs are mutually exclusive in the plaque, as demonstrated by the minimal overlap of tdTomato with chondrogenic SMC markers, including Col2a1 and Sox9. Not all fibrous caps are marked, which could reflect poor Cre efficiency or new cap cells that form later. Increase tamoxifen treatment frequencing throughout high fat diet (every 10 days) significantly improved labeling efficiency and led to fully labeled lesion cap of the whole aortic root plaque. Consistently, Notch3 + cells are committed to fibrous cap formation and excluded from the calcified portions of the lesion and acellular core. Collectively, these lineage tracing studies highlight previously unrecognized medial SMC heterogeneity in healthy vessels. Unique Notch3 + populations of SMCs in normal media are fated to form the lesion cap. Once the Notch3 program is turned on, cells are locked into a fibrous cap fate and do not give rise to osteochondrogenic SMCs. Importantly, Notch3 CreERT2 mice can be used as a cap-specific genetic manipulation tool.