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.

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 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.

Abstract Background Stress has garnered significant attention as a prominent risk factor for inflammation-related diseases, particularly cardiovascular diseases (CVDs). However, the precise mechanisms underlying stress-driven CVDs remain elusive, thereby impeding the development of effective preventive and therapeutic strategies. Methods To explore the correlation between plasma lipid metabolites and depressive states, we conducted a study involving healthy volunteers (n=408). Liquid chromatography (LC)/mass spectrometry (MS)/MS-based lipidomics and the self-rating depression (SDS) scale questionnaire were employed for data collection. In addition, we utilized a mouse model by subjecting mice to restraint stress and investigating the impact of stress on plasma lipid metabolites and vascular remodeling following carotid ligation. In vitro functional and mechanistic studies were performed using macrophages, endothelial cells, and neutrophil cells. Results Our findings revealed a significant association between depressive state and reduced plasma levels of 4-oxoDHA, a specific omega-3 fatty acid metabolite regulated by 5-lipoxygenase (LO) in neutrophils in healthy volunteers. In mice, restraint stress led to decreased plasma 4-oxoDHA levels and exacerbated vascular remodeling. Moreover, 4-oxoDHA demonstrated the ability to enhance Nrf2-HO-1 pathways, exerting anti-inflammatory effects on endothelial cells and macrophages. Mechanistically, stress-induced noradrenaline triggered the degradation of 5-LO in neutrophils through the proteasome system, facilitated by dopamine D2-like receptor activation. The reduction in circulating 4-oxoDHA resulted in the downregulation of the Nrf2-HO-1 anti-inflammatory axis and an increase in ICAM-1 expression, vascular permeability, and remodeling. Conclusions Our study unveiled a novel stress-induced pathway of vascular inflammation, mediated through the regulation of omega-3 fatty acid metabolites. Reduced levels of circulating 4-oxoDHA under stress conditions may serve as a promising biomarker for stress. This understanding of the interplay between neurobiology and lipid metabolism provides a potential avenue for the development of treatments aimed at preventing stress-induced systemic neuroinflammation. Highlights – Our study reveals that stress-induced reduction in circulating levels of a specific omega-3 fatty acid metabolite, 4-oxoDHA, contributes to vascular inflammation. – We have identified a novel pathway that explains how stress promotes systemic vascular inflammation by regulating omega-3 fatty acid metabolites in the circulation. – Our findings provide new evidence for the role of 4-oxoDHA in maintaining Nrf2-ARE-related anti-inflammatory functions in endothelial cells and macrophages.

To understand why Chlamydia trachomatis (Ct) (L2/434/Bu) favors hypoxia, we examined the dynamics of infected cells using a glycolysis-related PCR array and metabolomic analysis, along with the perturbation of nucleotide synthesis. Our findings revealed that, compared to normoxia, hypoxia with infection significantly and selectively upregulates the expression of genes related to glycolysis, glycogen degradation, and the pentose phosphate pathway. Furthermore, hypoxia induced a significant decrease in metabolite levels, particularly methionine-related metabolites, independent of infection, indicating efficient metabolism under hypoxia. Additionally, the perturbation of nucleotide synthesis with adenosine derivatives impaired Ct growth. Collectively, our results suggest that Ct favors a hypoxic environment with efficient metabolism, in which Ct readily activates glycolysis responsible for stable nucleotide synthesis as well as ATP supply.

Atrial fibrillation (AF) is strongly associated with strokes, heart failure, and increased mortality. This study aims to identify the monocyte–macrophage heterogeneity and interactions of these cells with non-immune cells, and to identify functional biomarkers in patients with AF. Therefore, we assess the single cell landscape of left atria (LA), using a combination of single cell and nucleus RNA-seq. Myeloid cells in LA tissue are categorized into five macrophage clusters, three monocyte clusters, and others. Cell-Chat analysis revealed that monocytes and IL1B+ macrophages send epidermal growth factor (EGF) signals to fibroblasts. Amphiregulin (AREG) is the most upregulated gene in monocytes and IL1B+ macrophages in the AF group, compared with healthy controls from other groups. Serum AREG levels are higher in patients with persistent AF. These data suggested that EGF signaling pathway could be a therapeutic target for AF and serum AREG levels provide an effective biomarker for predicting persistent AF. Left atrial scRNA-seq from patients with atrial fibrillation (AF) reveals macrophage heterogeneity and identifies monocytes and IL1B+ macrophages as key sources of EGF signals to fibroblasts, with serum AREG emerging as a biomarker for persistent AF.