In response to stress, the heart undergoes extensive cardiac remodeling that results in cardiac fibrosis and pathological growth of cardiomyocytes (hypertrophy), which contribute to heart failure. Alterations in microRNA (miRNA) levels are associated with dysfunctional gene expression profiles associated with many cardiovascular disease conditions; however, miRNAs have emerged recently as paracrine signaling mediators. Thus, we investigated a potential paracrine miRNA crosstalk between cardiac fibroblasts and cardiomyocytes and found that cardiac fibroblasts secrete miRNA-enriched exosomes. Surprisingly, evaluation of the miRNA content of cardiac fibroblast–derived exosomes revealed a relatively high abundance of many miRNA passenger strands (“star” miRNAs), which normally undergo intracellular degradation. Using confocal imaging and coculture assays, we identified fibroblast exosomal–derived miR-21_3p (miR-21*) as a potent paracrine-acting RNA molecule that induces cardiomyocyte hypertrophy. Proteome profiling identified sorbin and SH3 domain-containing protein 2 (SORBS2) and PDZ and LIM domain 5 (PDLIM5) as miR-21* targets, and silencing SORBS2 or PDLIM5 in cardiomyocytes induced hypertrophy. Pharmacological inhibition of miR-21* in a mouse model of Ang II–induced cardiac hypertrophy attenuated pathology. These findings demonstrate that cardiac fibroblasts secrete star miRNA–enriched exosomes and identify fibroblast-derived miR-21* as a paracrine signaling mediator of cardiomyocyte hypertrophy that has potential as a therapeutic target.

Matrix vesicles (MVs), secreted by vascular smooth muscle cells (VSMCs), form the first nidus for mineralization and fetuin-A, a potent circulating inhibitor of calcification, is specifically loaded into MVs. However, the processes of fetuin-A intracellular trafficking and MV biogenesis are poorly understood.The objective of this study is to investigate the regulation, and role, of MV biogenesis in VSMC calcification.Alexa488-labeled fetuin-A was internalized by human VSMCs, trafficked via the endosomal system, and exocytosed from multivesicular bodies via exosome release. VSMC-derived exosomes were enriched with the tetraspanins CD9, CD63, and CD81, and their release was regulated by sphingomyelin phosphodiesterase 3. Comparative proteomics showed that VSMC-derived exosomes were compositionally similar to exosomes from other cell sources but also shared components with osteoblast-derived MVs including calcium-binding and extracellular matrix proteins. Elevated extracellular calcium was found to induce sphingomyelin phosphodiesterase 3 expression and the secretion of calcifying exosomes from VSMCs in vitro, and chemical inhibition of sphingomyelin phosphodiesterase 3 prevented VSMC calcification. In vivo, multivesicular bodies containing exosomes were observed in vessels from chronic kidney disease patients on dialysis, and CD63 was found to colocalize with calcification. Importantly, factors such as tumor necrosis factor-α and platelet derived growth factor-BB were also found to increase exosome production, leading to increased calcification of VSMCs in response to calcifying conditions.This study identifies MVs as exosomes and shows that factors that can increase exosome release can promote vascular calcification in response to environmental calcium stress. Modulation of the exosome release pathway may be as a novel therapeutic target for prevention.

Abstract The molecular mechanisms of progressive right heart failure are incompletely understood. In this study, we systematically examined transcriptomic changes occurring over months in isolated cardiomyocytes or whole heart tissues from failing right and left ventricles in rat models of pulmonary artery banding (PAB) or aortic banding (AOB). Detailed bioinformatics analyses resulted in the identification of gene signature, protein and transcription factor networks specific to ventricles and compensated or decompensated disease states. Proteomic and RNA-FISH analyses confirmed PAB-mediated regulation of key genes and revealed spatially heterogeneous mRNA expression in the heart. Intersection of rat PAB-specific gene sets with transcriptome datasets from human patients with chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) led to the identification of more than 50 genes whose expression levels correlated with the severity of right heart disease, including multiple matrix-regulating and secreted factors. These data define a conserved, differentially regulated genetic network associated with right heart failure in rats and humans.

Abstract The microvasculature plays a key role in tissue perfusion, transport of mediators, and exchange of gases and metabolites to and from tissues. Microvascular dysfunction has emerged as an important contributor to cardiovascular diseases. In this study we used human blood vessel organoids (BVOs) as a model of the microvasculature to delineate the mechanisms of microvascular dysfunction caused by metabolic rewiring. BVOs fully recapitulated key features of the normal human microvasculature, including reliance of mature endothelial cells (ECs) on glycolytic metabolism, as concluded from metabolic flux assays using 13 C-glucose labelling and mass spectrometry-based metabolomics. Treatment of BVOs with PFK15, a pharmacological inhibitor of glycolysis, resulted in rapid tissue restructuring, vessel regression with reduced pericyte coverage and alterations in tight junction morphology. Proteomic analysis of the BVO secretome revealed remodelling of the extracellular matrix and differential expression of paracrine mediators such as CTGF. Treatment with recombinant CTGF recovered tight junction formation and increased pericyte coverage in microvessels. Our metabolic and proteomics findings demonstrate that BVOs rapidly undergo restructuring in response to metabolic changes and identify CTGF as a critical paracrine regulator of microvascular integrity.

The ZC3HC1 gene has been linked to various cardiovascular traits. One variant, rs11556924-T, has been found to lower the risk of coronary artery disease (CAD) and blood pressure, but increases carotid intima-media thickness (IMT). This study aimed to determine how ZC3HC1 affects IMT using in vitro and in vivo models. In this study, we analyzed the effect of the rs11556924-T allele on ZC3HC1 expression in vascular smooth muscle cells (SMCs) from 151 multi-ethnic heart transplant donors. The results showed that rs11556924-T was associated with lower ZC3HC1 expression and faster SMC migration. ZC3HC1 knockdown (KD) experiments supported these findings, showing increase migration and proliferation. Mechanistically ZC3HC1 KD led to decreased expression of contractile marker genes and the accumulation of cyclin B1, a key cell cycle protein. Pathway analysis of differentially expressed genes between ZC3HC1 KD and controls SMCs showed decreased expression of genes in the cell division and cytoskeleton organization pathways, as well as higher expression of genes involved in extracellular matrix organization and cytokine-mediated signaling. To validate these findings in vivo, we generated and characterized knockout (Zc3hc1-/-) mice. These mice had enhanced neointima formation in response to arterial injury and faster SMCs migration ability. However, complete loss of Zc3hc1 led to a significant reduction in SMC proliferation and lower cyclin B1 protein level. In addition, immunostaining and confocal microscopy demonstrated, for the first time, that ZC3HC1 and Cyclin B1 were located at the cleavage furrow during mitotic progression of SMCs. Taken together, our study suggests that lower ZC3HC1/NIPA level leads to increased SMC migration and neointima formation. Moreover, we proposed a biphasic role of NIPA in proliferation. Lower levels of NIPA promote SMC proliferation, while complete loss of NIPA hampers cell division and abrogates proliferation.

Fibrosis and inflammation promote atrial fibrillation (AF) and worsen its clinical outcome. The underlying molecular mechanisms, that are relevant for effective antifibrotic drug development, are still under debate. This study deciphers a novel mechanistic interplay between polo-like kinase 2 (PLK2) and the pro-inflammatory cytokine osteopontin (OPN) in the pathogenesis of atrial fibrosis. Compared to sinus rhythm (SR) controls, right atrial appendages and isolated right atrial fibroblasts from AF patients showed downregulation of PLK2 mRNA and protein levels, which were accompanied by remarkable hypoxia-sensitive DNA-methylation of the PLK2 promotor. In an experimental setting, both, genetic deletion and pharmacological inhibition of PLK2 induced myofibroblast differentiation and reduced fibroblast proliferation. Notably, proteomics from PLK2-deleted fibroblasts revealed de novo secretion of OPN. Accordingly, we observed higher OPN plasma levels in AF patients with atrial fibrosis compared to non-fibrosis AF patients. Hence, we provide evidence for PLK2 reactivation and/or OPN inhibition as potential novel targets to prevent fibrosis progression in AF.

ADP-ribosylation factor 6 (ARF6), a GTPase associated with cancer metastasis, is activated in the lung endothelium in pulmonary arterial hypertension (PAH). To identify ARF6-regulated pathways relevant to PAH, we performed a state-of-the-art proteomic analysis of human pulmonary artery endothelial cells (HPAECs) overexpressing the wildtype, constitutively active, fast-cycling and dominant negative mutants of ARF6. The analysis revealed a novel link of ARF6 with hypoxia-inducible factor (HIF), in addition to endocytotic vesicle trafficking, cell proliferation, angiogenesis, oxidative stress and lipid metabolism. Active ARF6 markedly increased expression and activity of HIF-2, critical in PAH, with HIF-1 relatively unaffected. Hypoxic ARF6 activation was a prerequisite for HIF-2 activation and HIF-dependent gene expression in HPAECs, PAH blood-derived late outgrowth endothelial colony forming cells (ECFCs) and hypoxic mouse lungs in vivo. A novel ARF6 inhibitor, chlortetracycline (CTC), reduced hypoxia-induced HIF-2 activation, proliferation and angiogenesis in HPAECs and reduced HIF-2 expression in lung and heart tissues of hypoxic mice. PAH ECFCs showed elevated expression and activity of ARF6 and HIF2, which was attenuated by CTC. Oral CTC attenuated development of PH in chronically hypoxic mice. In conclusion, we are first to demonstrate a key role of ARF6 in the regulation of HIF-2alpha activation in vitro and in vivo and show that HIF-2alpha, a master-regulator of vascular remodelling in PAH, can be targeted by a clinically approved antibiotic chlortetracycline.