Background: Rupture and erosion of advanced atherosclerotic lesions with a resultant myocardial infarction or stroke are the leading worldwide cause of death. However, we have a limited understanding of the identity, origin, and function of many cells that make up late-stage atherosclerotic lesions, as well as the mechanisms by which they control plaque stability. Methods: We conducted a comprehensive single-cell RNA sequencing of advanced human carotid endarterectomy samples and compared these with single-cell RNA sequencing from murine microdissected advanced atherosclerotic lesions with smooth muscle cell (SMC) and endothelial lineage tracing to survey all plaque cell types and rigorously determine their origin. We further used chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq), bulk RNA sequencing, and an innovative dual lineage tracing mouse to understand the mechanism by which SMC phenotypic transitions affect lesion pathogenesis. Results: We provide evidence that SMC-specific Klf4- versus Oct4-knockout showed virtually opposite genomic signatures, and their putative target genes play an important role regulating SMC phenotypic changes. Single-cell RNA sequencing revealed remarkable similarity of transcriptomic clusters between mouse and human lesions and extensive plasticity of SMC- and endothelial cell-derived cells including 7 distinct clusters, most negative for traditional markers. In particular, SMC contributed to a Myh11 - , Lgals3 + population with a chondrocyte-like gene signature that was markedly reduced with SMC- Klf4 knockout. We observed that SMCs that activate Lgals3 compose up to two thirds of all SMC in lesions. However, initial activation of Lgals3 in these cells does not represent conversion to a terminally differentiated state, but rather represents transition of these cells to a unique stem cell marker gene–positive, extracellular matrix-remodeling, “pioneer” cell phenotype that is the first to invest within lesions and subsequently gives rise to at least 3 other SMC phenotypes within advanced lesions, including Klf4-dependent osteogenic phenotypes likely to contribute to plaque calcification and plaque destabilization. Conclusions: Taken together, these results provide evidence that SMC-derived cells within advanced mouse and human atherosclerotic lesions exhibit far greater phenotypic plasticity than generally believed, with Klf4 regulating transition to multiple phenotypes including Lgals3 + osteogenic cells likely to be detrimental for late-stage atherosclerosis plaque pathogenesis.

Thromboembolic events, including myocardial infarction (MI) or stroke, caused by the rupture or erosion of unstable atherosclerotic plaques are the leading cause of death worldwide. Although most mouse models of atherosclerosis develop lesions in the aorta and carotid arteries, they do not develop advanced coronary artery lesions. Moreover, they do not undergo spontaneous plaque rupture with MI and stroke or do so at such a low frequency that they are not viable experimental models to study late-stage thrombotic events or to identify novel therapeutic approaches for treating atherosclerotic disease. This has stymied the development of more effective therapeutic approaches for reducing these events beyond what has been achieved with aggressive lipid lowering. Here, we describe a diet-inducible mouse model that develops widespread advanced atherosclerosis in coronary, brachiocephalic, and carotid arteries with plaque rupture, MI, and stroke.

Abstract Thromboembolic events, including myocardial infarction (MI) or stroke, caused by the rupture or erosion of unstable atherosclerotic plaques are the leading cause of death worldwide 1 . Unfortunately, the lack of a mouse model that develops advanced coronary atherosclerosis and that exhibits a high incidence of spontaneous plaque rupture with MI or stroke has greatly stymied development of more effective therapeutic approaches for reducing these events beyond what has been achieved with aggressive lipid lowering. Herein, we describe a novel mouse model that develops widespread advanced atherosclerosis including in coronary, brachiocephalic, and carotid arteries. These mice show high mortality following Western Diet feeding with clear evidence of plaque rupture, MI, and stroke. To validate the utility of this model, mice were treated with the drug candidate AZM198, which inhibits myeloperoxidase, an enzyme primarily produced by activated neutrophils and predictive of rupture of human atherosclerotic lesions 2–7 . AZM198 treatment resulted in marked improvements in survival with a greater than 60% decrease in the incidence of plaque rupture, MI, and stroke. In summary, our work describes a novel mouse model that closely replicates late-stage clinical events of advanced human atherosclerotic disease and evidence that this model can be used to identify and test potential new therapeutic agents to prevent major adverse cardiac events.