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.

Background— Patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) have reduced expression of apolipoprotein E (apoE) and peroxisome proliferator–activated receptor-γ in lung tissues, and deficiency of both has been linked to insulin resistance. ApoE deficiency leads to enhanced platelet-derived growth factor signaling, which is important in the pathobiology of PAH. We therefore hypothesized that insulin-resistant apoE-deficient (apoE −/− ) mice would develop PAH that could be reversed by a peroxisome proliferator–activated receptor-γ agonist (eg, rosiglitazone). Methods and Results— We report that apoE −/− mice on a high-fat diet develop PAH as judged by elevated right ventricular systolic pressure. Compared with females, male apoE −/− were insulin resistant, had lower plasma adiponectin, and had higher right ventricular systolic pressure associated with right ventricular hypertrophy and increased peripheral pulmonary artery muscularization. Because male apoE −/− mice were insulin resistant and had more severe PAH than female apoE −/− mice, we treated them with rosiglitazone for 4 and 10 weeks. This treatment resulted in markedly higher plasma adiponectin, improved insulin sensitivity, and complete regression of PAH, right ventricular hypertrophy, and abnormal pulmonary artery muscularization in male apoE −/− mice. We further show that recombinant apoE and adiponectin suppress platelet-derived growth factor-BB–mediated proliferation of pulmonary artery smooth muscle cells harvested from apoE −/− or C57Bl/6 control mice. Conclusions— We have shown that insulin resistance, low plasma adiponectin levels, and deficiency of apoE may be risk factors for PAH and that peroxisome proliferator–activated receptor-γ activation can reverse PAH in an animal model.

Loss-of-function mutations in bone morphogenetic protein receptor II (BMP-RII) are linked to pulmonary arterial hypertension (PAH); the ligand for BMP-RII, BMP-2, is a negative regulator of SMC growth. Here, we report an interplay between PPARγ and its transcriptional target apoE downstream of BMP-2 signaling. BMP-2/BMP-RII signaling prevented PDGF-BB–induced proliferation of human and murine pulmonary artery SMCs (PASMCs) by decreasing nuclear phospho-ERK and inducing DNA binding of PPARγ that is independent of Smad1/5/8 phosphorylation. Both BMP-2 and a PPARγ agonist stimulated production and secretion of apoE by SMCs. Using a variety of methods, including short hairpin RNAi in human PASMCs, PAH patient–derived BMP-RII mutant PASMCs, a PPARγ antagonist, and PASMCs isolated from PPARγ- and apoE-deficient mice, we demonstrated that the antiproliferative effect of BMP-2 was BMP-RII, PPARγ, and apoE dependent. Furthermore, we created mice with targeted deletion of PPARγ in SMCs and showed that they spontaneously developed PAH, as indicated by elevated RV systolic pressure, RV hypertrophy, and increased muscularization of the distal pulmonary arteries. Thus, PPARγ-mediated events could protect against PAH, and PPARγ agonists may reverse PAH in patients with or without BMP-RII dysfunction.

Reduced bone morphogenetic protein receptor 2 (BMPR2) expression in patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) can impair pulmonary arterial EC (PAEC) function. This can adversely affect EC survival and promote SMC proliferation. We hypothesized that interventions to normalize expression of genes that are targets of BMPR2 signaling could restore PAEC function and prevent or reverse PAH. Here we have characterized, in human PAECs, a BMPR2-mediated transcriptional complex between PPARγ and β-catenin and shown that disruption of this complex impaired BMP-mediated PAEC survival. Using whole genome-wide ChIP-Chip promoter analysis and gene expression microarrays, we delineated PPARγ/β-catenin-dependent transcription of target genes including APLN, which encodes apelin. We documented reduced PAEC expression of apelin in PAH patients versus controls. In cell culture experiments, we showed that apelin-deficient PAECs were prone to apoptosis and promoted pulmonary arterial SMC (PASMC) proliferation. Conversely, we established that apelin, like BMPR2 ligands, suppressed proliferation and induced apoptosis of PASMCs. Consistent with these functions, administration of apelin reversed PAH in mice with reduced production of apelin resulting from deletion of PPARγ in ECs. Taken together, our findings suggest that apelin could be effective in treating PAH by rescuing BMPR2 and PAEC dysfunction.

We previously reported high-throughput RNA sequencing analyses that identified heightened expression of the chromatin architectural factor High Mobility Group AT-hook 1 (HMGA1) in pulmonary arterial endothelial cells (PAECs) from patients who had idiopathic pulmonary arterial hypertension (PAH) in comparison with controls. Because HMGA1 promotes epithelial-to-mesenchymal transition in cancer, we hypothesized that increased HMGA1 could induce transition of PAECs to a smooth muscle (SM)-like mesenchymal phenotype (endothelial-to-mesenchymal transition), explaining both dysregulation of PAEC function and possible cellular contribution to the occlusive remodeling that characterizes advanced idiopathic PAH.We documented increased HMGA1 in PAECs cultured from idiopathic PAH versus donor control lungs. Confocal microscopy of lung explants localized the increase in HMGA1 consistently to pulmonary arterial endothelium, and identified many cells double-positive for HMGA1 and SM22α in occlusive and plexogenic lesions. Because decreased expression and function of bone morphogenetic protein receptor 2 (BMPR2) is observed in PAH, we reduced BMPR2 by small interfering RNA in control PAECs and documented an increase in HMGA1 protein. Consistent with transition of PAECs by HMGA1, we detected reduced platelet endothelial cell adhesion molecule 1 (CD31) and increased endothelial-to-mesenchymal transition markers, αSM actin, SM22α, calponin, phospho-vimentin, and Slug. The transition was associated with spindle SM-like morphology, and the increase in αSM actin was largely reversed by joint knockdown of BMPR2 and HMGA1 or Slug. Pulmonary endothelial cells from mice with endothelial cell-specific loss of Bmpr2 showed similar gene and protein changes.Increased HMGA1 in PAECs resulting from dysfunctional BMPR2 signaling can transition endothelium to SM-like cells associated with PAH.

Abstract Physiologic laminar shear stress (LSS) induces an endothelial gene expression profile that is vasculo-protective. In this report, we delineate how LSS mediates changes in the epigenetic landscape to promote this beneficial response. We show that under LSS, KLF4 interacts with the SWI/SNF nucleosome remodeling complex to increase accessibility at enhancer sites that promote expression of homeostatic endothelial genes. By combining molecular and computational approaches we discovered enhancers that loop to promoters of known and novel KLF4- and LSS-responsive genes that stabilize endothelial cells and suppress inflammation, such as BMPR2 and DUSP5 . By linking enhancers to genes that they regulate under physiologic LSS, our work establishes a foundation for interpreting how non-coding DNA variants in these regions might disrupt protective gene expression to influence vascular disease.

ABSTRACT Neutrophil elastase (NE) is implicated in pulmonary arterial hypertension (PAH) but the role of neutrophils in the pathogenesis of PAH is unclear. Here we show that neutrophils from PAH vs. control subjects produce and release increased NE associated with enhanced extracellular trap formation. PAH neutrophils are highly adherent and show decreased migration consistent with increased vinculin, identified on proteomic analysis and previously linked to an antiviral response. This was substantiated by a transcriptomic interferon signature in PAH neutrophils and an increase in human endogenous retrovirus (HERV-K) envelope protein. NE and interferon genes are induced by HERV-K envelope and vinculin is increased by HERV-K dUTPase that is elevated in PAH plasma. Neutrophil exosomes from PAH plasma contain increased NE and HERV-K envelope and induce pulmonary hypertension in mice, that is mitigated by the NE inhibitor and antiviral agent, elafin. Thus, elevated HERVs explain pathological neutrophils linked to PAH induction and progression.

ABSTRACT Pathological high shear stress (HSS, 100 dyn/cm 2 ) is generated in distal pulmonary arteries (PA) (100-500 μm) in congenital heart defects and in progressive PA hypertension (PAH) with inward remodeling and luminal narrowing. Human PA endothelial cells (PAEC) were subjected to HSS versus physiologic laminar shear stress (LSS, 15 dyn/cm 2 ). Endothelial-mesenchymal transition (EndMT), a feature of PAH not previously attributed to HSS, was observed. H3K27ac peaks containing motifs for an ETS-family transcription factor (ERG) were reduced, as was ERG-Krüppel-like factors (KLF)2/4 interaction and ERG expression. Reducing ERG by siRNA in PAEC during LSS caused EndMT; transfection of ERG in PAEC under HSS prevented EndMT. An aorto-caval shunt was preformed in mice to induce HSS and progressive PAH. Elevated PA pressure, EndMT and vascular remodeling were reduced by an adeno-associated vector that selectively replenished ERG in PAEC. Agents maintaining ERG in PAEC should overcome the adverse effect of HSS on progressive PAH.

Advancements in cancer therapy have emerged through the combination of multiple signaling pathways, minimizing drug resistance and off-target effects. Therefore, diverse drug design strategies have been developed, including hybrid apoptosis/ferroptosis pathways. However, not much is known regarding their crosstalk, particularly regarding the details of intracellular and intercellular communication. Extracellular vesicles (EVs) play a crucial role in signal transduction and matter exchange among cells and are categorized into ectosomes, exosomes, and apoptotic bodies of varying sizes. The biogenesis and microenvironment of EVs are crucial for understanding their biological functions; however, they are still under debate. Herein, we used a fluorescent probe with viscosity sensitivity that targets lysosomes and nucleoli to detect viscosity alterations during apoptosis and ferroptosis, resulting in triggered green emission. Further fluorescent imaging of cells revealed crosstalk between apoptosis and ferroptosis, detecting apoptotic bodies originating from lysosomes and condensed nucleoli as EVs in hybrid apoptosis/ferroptosis pathways.