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Integrative transcriptomic and cistromic analyses reveal endothelial mechanotransduction–clock coupling and TEAD-dependent regulation of CRY1 and CLOCK in pulmonary arterial hypertension

이 연구는 멀티오믹스 분석과 실험적 검증을 통합하여, 폐동맥 고혈압에서 내피세포의 기계적 자극 전달이 TEAD 의존적 YAP/TAZ 신호 축을 통해 생체 시계 유전자인 CRY1과 CLOCK의 상향 조절을 유도한다는 것을 입증한다.

원저자: Ruixian Wu, Sujian Cao, Jian Wang

게시일 2026-09-11

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CC BY 4.0

원저자: Ruixian Wu, Sujian Cao, Jian Wang

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ⚕️ 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기

인체의 방대한 혈관 네트워크 내부에서, 동맥 벽은 혈류가 지나가며 가하는 압력을 끊임없이 느끼고 있습니다. 이 물리적 힘은 단순한 기계적 밀어내기가 아닙니다. 이는 세포가 자신의 환경을 이해하고 어떻게 행동할지 결정하는 데 사용하는 신호입니다. 건강한 상태에서 이러한 신호는 혈관의 형태와 기능을 유지하는 데 도움을 줍니다. 그러나 폐동맥 고혈압이라는 심각한 질환에서는 폐의 작은 동맥들이 딱딱해지고 좁아져서, 심장이 혈액을 펌프질하기 위해 훨씬 더 힘들게 일하도록 만듭니다. 이 질병은 혈관 벽의 복잡한 재형성(remodeling)에 의해 유발되는데, 여기서 동맥을 감싸는 세포들은 과도하게 성장하거나 이완되지 못하는 등 행동 방식이 변하게 됩니다. 오랫동안 과학자들은 기계적 힘이 이 과정에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 알고 있었지만, 이러한 압력에 세포가 어떻게 반응해야 하는지를 알려주는 구체적인 분자적 지침은 불분분명한 상태로 남아 있었습니다.

동시에, 인간의 몸속 거의 모든 세포는 내부 시계에 따라 움직입니다. 이 생체 리듬(circadian rhythm)은 유전자가 언제 켜지고 꺼지는지를 조절하는 생물학적 타이머이며, 대사에서부터 세포 복구에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칩니다. 폐에서 이 시계는 혈관을 건강하고 반응성 있게 유지하는 데 도움을 줍니다. 연구자들이 풀고자 했던 큰 질문은 폐동맥이 느끼는 물리적 압력이 이 내부 시간 조절 시스템과 연결되어 있는가 하는 점이었습니다. 질병을 유발하는 기계적 힘이 세포의 시계를 하이재킹(탈취)하는 것일까요? 만약 그렇다면, 그 연결 고리를 이해하는 것이 이 질환을 치료하는 새로운 방법을 밝혀낼 수 있을 것입니다.

연구팀은 기존의 방대한 유전 데이터와 새로운 실험실 실험을 결합하여 이 수수께력을 풀기 위해 나섰습니다. 그들은 환자의 폐에서 얻은 유전적 청사진을 살펴보는 것으로 시작했습니다. 수백 명의 환자를 대상으로 한 다양한 연구 데이터를 분석함으로써, 기계적 힘을 감지하는 유전자 활동과 생체 시계를 조절하는 유전자 사이의 연관성을 찾았습니다. 그들은 명확한 연결 고리를 발견했습니다. 폐동맥 고혈압 환자의 폐 조직에서는 물리적 스트레스에 반응하는 유전자와 시간을 기록하는 유전자가 서로 동기화되어 움직이고 있었습니다. 기계적 스트레스 신호가 높을 때, 시계 관련 신호도 함께 높았습니다. 이는 두 시스템이 독립적으로 작동하는 것이 아니라, 서로 결합하여 함께 작동하고 있음을 시사했습니다.

이러한 연결이 정확히 어떤 세포에서 발생하는지 이해하기 위해, 연구진은 전체 폐 조직이 아닌 개별 세포 유형으로 초점을 좁혀 데이터를 조사했습니다. 그들은 이러한 동기화된 행동이 혈관 내부를 감싸는 얇은 세포층인 내피세포(endothelial cells)에서 가장 강력하게 나타난다는 것을 발견했습니다. 이 특정 세포들에서 압력을 느끼는 것과 시간을 지키는 것 사이의 연결 고리는 매우 견고했습니다. 그러나 이야기는 모든 세포 유형에 동일하게 적용되지 않았습니다. 혈관 벽을 형성하는 평활근 세포와 같은 폐의 다른 세포들에서는 그 관계가 달랐으며, 때로는 정반대의 패턴을 보이기도 했습니다. 이 발견은 질병 과정이 균일하지 않으며, 세포가 스트레스에 반응하는 방식은 세포의 종류와 폐 내의 위치에 따라 크게 달라진다는 것을 보여주었기에 매우 중요했습니다.

연구진은 다음으로 이 연결이 실제로 어떻게 작동하는지 알고 싶었습니다. 그들은 세포의 주요 기계적 스트레스 센서로 알려진 YAP와 TAZ라는 특정 단백질 쌍에 집중했습니다. 혈관 벽이 딱딱해지면, 이 단백질들은 세포 핵 안으로 이동하여 파트너 단백질인 TEAD와 결합하여 특정 유전자를 활성화합니다. 연구팀은 이 YAP-TEAD 팀이 시계 유전자를 켜는 주범일 것이라고 가설을 세웠습니다. 이를 테스트하기 위해, 그들은 실험실에서 인간의 제대정맥(umbilical vein)과 폐동맥 세포를 사용했습니다. 그들은 질병에서 보이는 지속적인 스트레스를 모방하기 위해, YAP와 TAZ 단백질이 영구적으로 활성화된 버전의 세포를 제작했습니다.

결과는 그들의 가설을 확인해주었습니다. YAP와 TAZ 단백질이 활성화되었을 때, 세포는 두 가지 핵심 시계 단백질인 CRY1과 CLOCK을 현저히 더 많이 생성했습니다. 하지만 연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가 이것이 단순히 우연이 아님을 증명했습니다. 그들은 TEAD와 결합할 수 없는 돌연변이 버전의 YAP와 TAZ 단백질을 만들었습니다. 이 돌연변이 단백질들을 활성화했을 때, 시계 유전자의 증가는 사라졌습니다. 이는 기계적 스트레스 신호가 시계 유전자에 도달하기 위해 반드시 TEAD 단백질을 거쳐야 함을 입증했습니다. 즉, 직접적인 통신 경로가 존재했던 것입니다. 물리적 압력이 YAP와 TAZ를 활성화하면, 이들이 TEAD를 사용하여 시계 장치를 켜는 구조였습니다.

이 메커니즘이 단순히 데이터상의 패턴이 아니라 실제임을 확인하기 위해, 연구진은 세포 내 DNA의 물리적 구조를 조사했습니다. 그들은 YAP, TAZ, 그리고 TEAD 단백질이 CRY1과 CLOCK 유전자 바로 옆에 위치하며, DNA 가닥의 동일한 지점을 물리적으로 점유하고 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이 단백질들이 시계를 조절하기 위해 유전 암호와 직접적으로 상호작용하고 있다는 최종적인 증거를 제공했습니다.

이 연구는 물리적 힘이 어떻게 세포의 유전적 지침을 재작성할 수 있는지에 대한 상세한 그림을 그려냅니다. 폐동맥 고혈압 환자의 폐에서는 혈관에 가해지는 지속적인 압력이 기계적 센서에서 시작하여 세포의 내부 시계로 끝나는 연쇄 반응을 일으킵니다. 이러한 결합은 혈관을 감싸는 세포에서 가장 두드러지게 나타나며, 이는 질병 과정이 이 특정 세포들이 자신의 환경을 어떻게 해석하느냐에 깊이 뿌리박고 있음을 시사합니다. 연구진이 새로운 약물을 테스트하거나 즉각적인 치료법을 제안한 것은 아니지만, 그들의 연구는 물리적 세계인 혈압과 생물학적 세계인 시간 조절을 잇는 구체적인 분자 경로를 식별해 냈습니다. YAP-TEAD-CRY1-CLOCK 축을 명시함으로써, 그들은 기계적 스트레스가 어떻게 질병을 유발하는지, 그리고 이를 어떻게 멈출 수 있는지에 대한 새로운 사고방식을 제시하며 향후 연구를 위한 명확한 목표를 제공했습니다.

기술 요약: 통합적 전사체 및 시스토롬 분석을 통한 내피세포의 기계적 자극 수용-시계 결합 및 폐동맥 고혈압에서의 TEAD 의존적 CRY1 및 CLOCK 조절 규명

문제 제로 (Problem Statement)

폐동맥 고혈압(PAH)은 매트릭스 경화 및 변화된 혈역학적 힘을 포함하는 비정상적인 기계적 미세환경 내의 혈관 재형성(vascular remodeling)을 특징으로 한다. 기계적 자극 수용 경로(예: YAP/TAZ, FAK/SRC)와 분자 생물학적 일주기 시계(예: CLOCK, CRY1)의 역할은 각각 PAH 병리에서 인지되고 있으나, 인간 폐 혈관 내에서 이 두 시스템 간의 관계는 여전히 명확히 정의되지 않았다. 구체적으로, 인간 PAH에서 기계적 자국 수용이 시계 관련 전사와 결합되어 있는지, 이러한 결합이 세포 상태 또는 공간에 따라 의존적인지, 그리고 YAP/TAZ–TEAD 축이 폐 내피세포에서 CRY1 및 CLOCK과 같은 시계 구성 요소를 직접적으로 조절하는지는 알려져 있지 않다.

연구 방법론 (Methodology)

본 연구는 공공 유전체 데이터셋의 이차 분석과 인간 폐동맥 내피세포(HPAEC)를 이용한 in vitro 검증을 통합하는 다층적, 교차 플랫폼 프레임워크를 채택하였다.

전사체 코호트 분석:
- 벌크 조직 (Bulk Tissue): 세 개의 독립적인 PAH 폐 전사체 코호트(GSE117261, GSE113439, GSE53408)를 분석하여 "Clock" 점수(19개의 핵심 시계 유전자 + 3개의 출력 유전자)와 기계적 자극 수용 모듈 점수(YAP/TAZ–TEAD, FAK/SRC, PIEZO1 등) 사이의 상관관관계를 정량화하였다.
- 단일 세포 및 공여자 인식 의사 벌크 (Single-Cell & Donor-Aware Pseudobulk): 43,714개의 세포를 포함하는 GSE169471을 사용하여 신호를 특정 세포 클래스로 국소화하였다. 의사 반복(pseudoreplication)을 피하기 위해, 분할된 라이브러리를 "진정한 공여자(true-donor)" 내피 의사 벌크 프로파일(8명의 공여자: 대조군 5명, PAH 3명)로 통합하였다.
- 독립적 검증: GSE210248 및 기타 4개의 PAEC 관련 데이터셋을 사용하여 독립적인 방향성 지지 및 메타 분석을 수행하였다.
- 고해상도 세포 상태: 55개의 혈관 상태에 걸친 213,862개의 세포를 포함하는 고해상도 단일 세포 아틀라스(Feng et al.)를 분석하여 특정 세포 상태(예: COL1A2 표지 내피세포 vs. LUM 관련 탈분화 평활근)에 따른 결합 극성을 테스트하였다.
- 공간 전사체학 (Spatial Transcriptomics): 디지털 공간 전사체 데이터(GSE256539; 217개 관심 영역)를 분석하여 회귀 모델과 비음수 행렬 분해(NMF)를 사용하여 병변 수준의 이질성을 평가하였다.
섭동 및 시스토롬 분석 (Perturbation and Cistromic Analysis):
- HUVEC 섭동: 구성적으로 활성화된 YAP/TAZ 구축물(YAP-S127A, TAZ-S89A)과 TEAD 결합 결핍 돌연변이체(YAP-S94A/S127A, TAZ-S51A/S89A)를 비교하여 CRY1 및 CLOCK의 전사 반응을 평가하기 위해 GSE163456을 재분석하였다.
- ChIP-seq 재분석: HUVEC에서 YAP, TAZ, TEAD1의 수렴적 점유를 식별하기 위해 GSE163458을 재분석하여, TEAD 모티프 및 활성/열린 염색질 지원 여부를 확인하며 CRY1 및 CLOCK 조절 영역을 조사하였다.
실험적 검증:
- HPAEC: HUVEC 분석에서 사용된 것과 동일한 활성 구축물을 인간 폐동맥 내피세포(HPAEC)에 형질전환하였다. CRY1 및 CLOCK mRNA(RT-qPCR) 및 단백질(Western blot) 수준을 정량화하여, 폐 특이적 맥락에서 TEAD 의존적인 반응을 검증하였다.

주요 결과 (Key Results)

1. 폐 조직 및 내피세포에서의 양의 결합 (Positive Coupling)

벌크 조직: 발견 코호트(GSE117261)에서 Clock 점수는 YAP/TAZ–TEAD ( $\rho=0.492$ ), FAK/SRC, 그리고 전반적인 기계적 자극 수용 점수와 양의 상관관계를 보였다. 이러한 양의 연관성은 GSE113439에서도 재현되었다. 세 개의 벌크 코호트에 대한 고정 효과 메타 분석을 통해 유의미한 양의 통합 상관관계( $\rho=0.367$ )를 확인하였다.
내피세포 국소화: 단일 세포 분석은 가장 안정적인 결합이 내피세포 구획에 국한되어 있음을 밝혀냈다. GSE169471의 공여자 인식 의사 벌크 분석은 기계적 자극 수용과 Clock 점수 사이의 유의미한 양의 상관관계( $\rho=0.738$ )를 보여주었다. GSE210248은 독립적인 방향성 지지를 제공하였다 ( $\rho=0.943$ ).
맥락 의존성: 전반적인 추세는 양수였으나, 4개의 PAEC 데이터셋에 대한 무작위 효과 메타 분석 결과 효과 크기의 이질성이 나타났으며(95% CI가 0을 통과함), 이는 결합의 크기가 데이터셋에 따라 달라질 수 있음을 시사한다.

2. 세포 상태 및 공간적 병변 간의 이질성

세포 상태 극성: 고해상도 아틀라스에서 결합 방향은 세포 상태에 따라 다양했다. COL1A2 표지 내피세포 상태(EC_c9_COL1A2)는 유의미한 양의 결합( $\rho=0.659$ )을 보인 반면, 탈분화된 평활근 상태(SMC_c3_dediff_LUM)는 유의미한 음의 결합( $\rho=-0.763$ )을 보였다.
공간적 이질성: PAH 병변 ROI(GSE256539) 분석 결과, 조직 수준에서 기계적 자극 수용과 Clock 점수 사이에 순 음의 연관성( $\beta=-0.105$ )이 나타났다. NMF는 세 가지 뚜렷한 잠재적 공간 분자 상태를 식별하였으며, 이는 내피세포의 양의 결합이 온전한 질병 조직 내에서 세포 구성 및 국소 미세환경에 의해 수정될 수 있음을 나타낸다.

3. TEAD 의존적 CRY1 및 CLOCK 조정

전사 반응: HUVEC에서 구성적으로 활성화된 YAP-S127A 및 TAZ-S89A는 CRY1 및 CLOCK mRNA를 유의미하게 증가시켰다.
TEAD 요구성: TEAD 결합 결핍 돌연변이체(YAP-S94A/S127A, TAZ-S51A/S89A)를 도입했을 때 이러한 반응이 상당히 감쇄되었으며(감쇄 비율 약 0.5 ~ 0.8), 이는 CRY1 및 CLOCK의 상향 조절이 온전한 YAP/TAZ–TEAD 인터페이스를 필요로 함을 입증한다.
시스토롬 증거: ChIP-seq 재분석을 통해 CRY1 및 CLOCK의 후보 조절 영역에서 수렴하는 YAP, TAZ, TEAD1 피크를 식별하였다. TEAD 모티프는 피크 정점 근처( CRY1 정점에서 약 3 bp, CLOCK 정점에서 47 bp)에서 발견되었으며, 활성 염색질 마크(H3K27ac, ATAC-seq)에 의해 뒷받침되었다.
HPAEC 검증: HPAEC에서 활성 YAP/TAZ 구축물은 CRY1 및 CLOCK의 mRNA 및 단백질 수준을 증가시켰다. 반대로, TEAD 결합 결핍 돌연변이체는 이러한 증가를 현저히 억제하였으며, 이는 폐동맥 내피세포 맥락에서 TEAD 의존성을 확인시켜 준다.

주요 기여 (Key Contributions)

다층적 증거: 본 연구는 벌크 조직, 단일 세포 상태, 공간적 병변 및 실험적 섭동에 걸쳐 기계적 자극 수용와 시계 관련 전사를 연결하는 포괄적이고 다층적인 증거 사슬을 제공한다.
세포 유형 특이성: 기계적 자극 수용–시계 결합이 PAH에서 주로 내피세ola 현상이며, 평활근이나 다른 혈관 구획과는 구별된다는 점을 확립하였다.
맥락적 가변성: 이 결합은 균일하지 않으며, 특정 내피세포 상태에서는 양의 관계를 보이지만, 탈분화된 평활근이나 공간적으로 이질적인 조직 수준에서는 음의 관계를 보일 수 있음을 입증하였다.
기계적 연결: CRY1과 CLOCK이 내피세포에서 YAP/TAZ–TEAD 축의 직접적인 전사 표적임을 식별함으로써, 기계적 신호 전달과 시계 재형성 사이의 분자적 인터페이스를 제안하였다.

의의 및 주장 (Significance and Claims)

저자들은 본 연구의 결과가 YAP/TAZ, TEAD, CRY1, CLOCK를 기계적 신호 전달과 시계 관련 전사 재형성을 연결하는 후보 기능 유전체 경로의 구성 요소로 식별한다고 주장한다.

본 연구는 기계적 자극 수용이 인간 PAH에서 주로 내피세포 맥락에서 시계 관련 전사와 결합되어 있지만, 이 관계는 혈관 세포 상태와 공간적으로 이질적인 병변에 따라 크게 달라진다고 결론짓는다. CRY1 및 CLOCK을 조절하는 데 있어 온전한 YAP/TAZ–TEAD 인터페이스의 필요성은 실험적으로 뒷받침된 기능적 유전체 증거를 제공한다. 저자들은 시스토롬 데이터가 후보 조절 영역을 식별했으나, HPAEC에서 특정 cis-조절 요소의 기능적 필수성이 ChIP-seq 데이터만으로는 완전히 확립되지 않았음을 언급하며, 이를 확립된 인과적 경로라기보다 후보 분자적 연결 고리로 위치시킨다.