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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

本研究整合了多组学分析与实验验证，旨在证明在肺动脉高压中，内皮细胞机械转导通过 TEAD 依赖性的 YAP/TAZ 信号轴驱动了昼夜节律时钟基因 CRY1 和 CLOCK 的上调。

原作者： Ruixian Wu, Sujian Cao, Jian Wang

发布于 2026-09-11

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原作者： Ruixian Wu, Sujian Cao, Jian Wang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。阅读完整免责声明

在人体庞大的血管网络内部，动脉壁不断感受到血液流经时产生的压力。这种物理力量不仅仅是一种机械性的推力，它还是细胞用来理解其环境并决定其行为的一种信号。在健康状态下，这些信号有助于维持血管的形状和功能。然而，在一种被称为肺动脉高压症的严重疾病中，肺部的细小动脉变得僵硬且狭窄，迫使心脏必须更加努力地泵血。这种疾病是由血管壁的复杂重构驱动的，其中血管内壁的细胞改变了其行为，通常表现为过度生长或无法放松。长期以来，科学家们一直知道物理力量在此过程中起着核心作用，但告诉这些细胞如何对压力做出反应的具体分子指令却一直不明朗。

与此同时，人体内几乎每一个细胞都运行着一个内部时钟。这种昼夜节律是一种生物计时器，调节着基因何时开启或关闭，影响着从代谢到细胞修复的一切。在肺部，这个时钟有助于保持血管的健康和响应能力。研究人员一直试图回答的一个重大问题是：肺动脉感受到的物理压力是否与这个内部计时系统相连？驱动疾病的机械力是否也劫持了细胞的时钟？如果确实如此，理解这种联系可能会揭示治疗该病症的新方法。

一支研究团队通过结合大量的现有遗传数据和新的实验室实验，试图解开这个谜团。他们首先分析了来自肺动脉高压症患者肺部的遗传蓝图。通过分析来自数百名患者、跨越不同研究的数据，他们寻找将机械力感知相关的基因活动与控制昼夜节律的时钟相关基因联系起来的模式。他们发现了一个清晰的联系：在患有该疾病的患者肺部组织中，响应物理应力的基因与维持时间的基因是同步运动的。当机械应力信号处于高水平时，时钟相关的信号也处于高水平。这表明这两个系统是耦合的，是协同工作而非独立存在的。

为了准确了解哪些细胞对此种联系负责，研究人员缩小了观察范围，查看的是单个细胞类型，而非仅仅是整个肺组织。他们发现，这种同步行为在内皮细胞（即衬在血管内部的薄层细胞）中表现得最为强烈。在这些特定的细胞中，感受压力与维持时间之间的联系非常稳固。然而，对于肺部的其他细胞来说，情况并非如此。在肺部的其他细胞中，例如构成血管壁的平滑肌细胞，这种关系则有所不同，有时甚至表现出相反的模式。这一发现至关重要，因为它表明疾病过程并非均匀分布；细胞对压力的反应高度取决于它们是什么类型的细胞以及位于肺部的什么位置。

随后，研究人员想要了解这种联系究竟是如何运作的。他们聚焦于一对特定的蛋白质——YAP和TAZ，这对蛋白质是已知的细胞主要机械应力传感器。当血管壁变硬时，这些蛋白质会进入细胞核，并与一个名为TEAD的伴侣蛋白联手，以开启特定基因。研究团队假设，这个YAP-TEAD团队可能正是开启时钟基因的元凶。为了测试这一点，他们在实验室中使用人类脐静脉和肺动脉细胞进行了实验。他们通过工程化手段，使这些细胞拥有一个永久活跃版本的YAP和TAZ蛋白，从而模拟疾病中观察到的持续压力。

结果证实了他们的假设。当YAP和TAZ蛋白处于活跃状态时，细胞产生的两种关键时钟蛋白——CRY1和CLOCK显著增加。但研究人员更进一步，以证明这不仅仅是巧合。他们制造了无法再与其伴侣TEAD结合的突变版YAP和TAZ蛋白。当他们激活这些突变蛋白时，时钟基因的增加现象消失了。这证明了机械应力信号必须通过TEAD蛋白才能到达时钟基因。这是一条直接的通信线路：物理压力激活YAP和TAZ，然后它们利用TEAD来开启时钟机制。

为了确保这一机制是真实的，而不仅仅是数据中的一种模式，研究人员观察了细胞内DNA的物理结构。他们发现，YAP、TAZ和TEAD蛋白都紧挨着CRY1和CLOCK基因，物理上占据了DNA链上的相同位置。这提供了最后的证据，表明这些蛋白质通过直接与遗传密码相互作用来控制时钟。

这项研究描绘了一幅详细的图景，展示了物理力量如何重写细胞的遗传指令。在肺动脉高压症患者的肺部，对血管持续的压力触发了一场连锁反应，始于机械传感器，终于细胞的内部时钟。这种耦合在血管内皮细胞中最为显著，表明疾病过程深深植根于这些特定细胞如何解读其环境。虽然研究人员并未测试新药或提出即时的治疗方案，但他们的工作识别出了一个将血压的物理世界与时间计时的生物世界联系起来的具体分子通路。通过精准定位YAP-TEAD-CRY1-CLOCK轴，他们为未来的研究提供了一个明确的目标，为思考机械应力如何驱动疾病以及如何阻止疾病提供了全新的视角。

技术摘要：整合转录组学与顺式调控组学分析揭示肺动脉高压中内皮机械转导与生物钟的耦合及 TEAD 对 CRY1 和 CLOCK 的调控

问题陈述

肺动脉高压（PAH）的特征是血管重构，这种重构发生于涉及基质硬化和改变的血流动力学力的异常机械微环境中。虽然机械转导通路（如 YAP/TAZ、FAK/SRC）和分子昼夜节律钟（如 CLOCK、CRY1）在 PAH 病理学中的作用已被分别认识，但这两套系统在肺血管中的关系仍定义模糊。具体而言，目前尚不清楚人类 PAH 中机械转导是否与时钟相关转录相耦合，以及这种耦合是否具有细胞状态或空间依赖性，且 YAP/TAZ–TEAD 轴是否直接调节肺动脉内皮细胞中的时钟组分（如 CRY1 和 CLOCK）。

研究方法

本研究采用了一个多层级、跨平台的框架，整合了对公共基因组数据集的二次分析以及在人肺动脉内皮细胞（HPAECs）中的体外验证。

转录组队列分析：
- 大块组织（Bulk Tissue）： 分析了三个独立的 PAH 肺转录组队列（GSE117261、GSE113439、GSE53408），以量化“时钟（Clock）”评分（19 个核心时钟基因 + 3 个输出基因）与机械转导模块评分（YAP/TAZ–TEAD、FAK/SRC、PIEZO1 等）之间的相关性。
- 单细胞与捐赠者感知伪块（Single-Cell & Donor-Aware Pseudobulk）： 使用 GSE169471（43,714 个细胞）将信号定位至特定细胞类别。为避免伪重复，将拆分的库合并为“真实捐赠者”内皮伪块谱图（8 名捐赠者：5 名对照组，3 名 PAH 组）。
- 独立验证： 使用 GSE210248 和其他四个与 PAEC 相关的数据集进行独立的定向支持和元分析。
- 高分辨率细胞状态： 分析了一个包含 213,862 个细胞、涵盖 55 种血管状态的高分辨率单细胞图谱（Feng 等），以测试不同细胞状态（例如 COL1A2 标记的内皮细胞 vs. LUM 相关的去分化平滑肌细胞）之间的耦合极性。
- 空间转录组学： 使用数字空间转录组学数据（GSE256539；217 个感兴趣区域）通过回归模型和非负矩阵分解（NMF）来评估病灶水平的异质性。
扰动与顺式调控组学分析：
- HUVEC 扰动： 对比分析了 GSE163456 中组成型活性 YAP/TAZ 构建体（YAP-S127A, TAZ-S89A）与 TEAD 结合缺陷型突变体（YAP-S94A/S127A, TAZ-S51A/S89A）的差异，以评估 CRY1 和 CLOCK 的转录响应。
- ChIP-seq 再分析： 对 GSE163458（HUVECs 中的 YAP、TAZ、TEAD1 ChIP-seq）进行再分析，以识别在 CRY1 和 CLOCK 调节区域的趋同占用情况，并检查是否存在 TEAD 基序以及活跃/开放染色质的支持。
实验验证：
- HPAECs： 将与 HUVEC 分析中使用的相同的活性和突变构建体转染至人肺动脉内皮细胞（HPAECs）。通过 RT-qPCR 定量 CRY1 和 CLOCK 的 mRNA 水平，通过 Western blot 定量蛋白质水平，以验证这些响应在肺部特异性背景下的 TEAD 依赖性。

关键结果

1. 肺组织与内皮中的正向耦合

大块组织： 在发现队列（GSE117261）中，Clock 评分与 YAP/TAZ–TEAD ( $\rho=0.492$ )、FAK/SRC、PIEZO1 以及整体机械转导评分呈正相关。这一正向关联在 GSE113439 中得到了重复。通过对三个大块队列进行固定效应元分析，证实了显著的正向合并相关性 ( $\rho=0.367$ )。
内皮定位： 单细胞分析将最稳定的耦合定位在内皮细胞室。GSE169471 的捐赠者感知伪块分析显示，机械转导评分与 Clock 评分之间存在显著正相关 ( $\rho=0.738$ )。GSE210248 提供了独立的定向支持 ( $\rho=0.943$ )。
上下文依赖性： 虽然总体趋势为正，但对四个 PAEC 数据集的随机效应元分析显示出效应大小的异质性（95% CI 跨越零），表明耦合的程度取决于数据集。

2. 跨细胞状态与空间病灶的异质性

细胞状态极性： 在高分辨率图谱中，耦合方向随细胞状态而异。COL1A2 标记的内皮状态（EC_c9_COL1A2）显示出显著的正向耦合 ( $\rho=0.659$ )，而去分化的平滑肌状态（SMC_c3_dediff_LUM）则显示出显著的负向耦合 ( $\rho=-0.763$ )。
空间异质性： 对 PAH 病灶 ROI（GSE256539）的分析显示，在组织水平上，机械转导与 Clock 评分之间存在净负相关 ( $\beta=-0.105$ )。NMF 识别出三种不同的潜在空间分子状态，表明正向内皮耦合会被完整疾病组织中的细胞组成和局部微环境所修正。

3. TEAD 依赖性调节 CRY1 和 CLOCK

转录响应： 在 HUVECs 中，组成型活性 YAP-S127A 和 TAZ-S89A 显著增加了 CRY1 和 CLOCK 的 mRNA。
TEAD 的必要性： 引入 TEAD 结合缺陷型突变体（YAP-S94A/S127A, TAZ-S51A/S89A）显著减弱了这些响应（衰减比例范围约为 0.5 至 0.8），证明了 CRY1 和 CLOCK 的上调需要完整的 YAP/TAZ–TEAD 界面。
顺式调控组证据： ChIP-seq 再分析在 CRY1 和 CLOCK 的候选调节区域识别出了趋同的 YAP、TAZ 和 TEAD1 峰。TEAD 基序位于峰值顶点附近（距离 CRY1 顶点约 3 bp，距离 CLOCK 顶点约 47 bp），并受到活跃染色质标记（H3K27ac, ATAC-seq）的支持。
HPAEC 验证： 在 HPAECs 中，活性 YAP/TAZ 构建体增加了 CRY1 和 CLOCK 的 mRNA 及蛋白质水平。相反，TEAD 结合缺陷型突变体显著削弱了这些增加，证实了该机制在肺动脉内皮细胞中的存在。

核心贡献

多层级证据： 本研究提供了一条全面的、多层级的证据链，将机械转导与人类 PAH 中的时钟转录联系起来，涵盖了大块组织、单细胞状态、空间病灶和实验扰动。
细胞类型特异性： 研究确定了机械转导–时钟耦合主要是一种内皮现象，这与平滑肌或其他血管室截然不同。
上下文变异性： 研究表明这种耦合并非统一的；它在特定的内皮状态中呈正相关，但在去分化的平滑肌或由于空间异质性导致的组织水平上可能呈负相关。
机制联系： 研究确定了 CRY1 和 CLOCK 是内皮细胞中 YAP/TAZ–TEAD 轴的直接转录靶点，且该过程依赖于 TEAD 结合，从而提出了机械信号与时钟重构之间的分子界面。

意义与主张

作者声称其研究结果确定了 YAP/TAZ、TEAD、CRY1 和 CLOCK 是连接机械信号与肺动脉内皮中时钟相关转录重构的候选功能基因组通路组分。

研究结论认为，机械转导在人类 PAH 中主要在内皮语境下与时钟相关转录相耦合，但这种关系在不同的血管细胞状态和空间异质性病灶中存在显著差异。对完整 YAP/TAZ–TEAD 界面在调节 CRY1 和 CLOCK 中必要性的研究，为这种关联提供了经实验支持的 functional genomics（功能基因组学）证据。作者将此定位为一个候选分子联系而非完全建立的因果通路，并指出虽然顺式调控组数据识别了候选调节区域，但仅凭 ChIP-seq 数据尚未建立 HPAECs 中特定 cis-调控元件的功能必要性。