Probing tissue transglutaminase mediated vascular smooth muscle cell aging using a novel transamidation-deficient Tgm2-C277S mouse model

使用新型转酰胺基化缺陷型 Tgm2-C277S 小鼠模型探索组织转谷氨酰胺酶介导的血管平滑肌细胞老化

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作者:Huilei Wang #, James Chen #, Sandeep Jandu #, Sean Melucci #, William Savage #, Kavitha Nandakumar #, Sara K Kang, Sebastian Barreto-Ortiz, Alan Poe, Shivam Rastogi, Maria Bauer, Jochen Steppan, Lakshmi Santhanam

Abstract

Tissue transglutaminase (TG2), a multifunctional protein of the transglutaminase family, has putative transamidation-independent functions in aging-associated vascular stiffening and dysfunction. Developing preclinical models will be critical to fully understand the physiologic relevance of TG2's transamidation-independent activity and to identify the specific function of TG2 for therapeutic targeting. Therefore, in this study, we harnessed CRISPR-Cas9 gene editing technology to introduce a mutation at cysteine 277 in the active site of the mouse Tgm2 gene. Heterozygous and homozygous Tgm2-C277S mice were phenotypically normal and were born at the expected Mendelian frequency. TG2 protein was ubiquitously expressed in the Tgm2-C277S mice at levels similar to those of wild-type (WT) mice. In the Tgm2-C277S mice, TG2 transglutaminase function was successfully obliterated, but the transamidation-independent functions ascribed to GTP, fibronectin, and integrin binding were preserved. In vitro, a remodeling stimulus led to the significant loss of vascular compliance in WT mice, but not in the Tgm2-C277S or TG2-/- mice. Vascular stiffness increased with age in WT mice, as measured by pulse-wave velocity and tensile testing. Tgm2-C277S mice were protected from age-associated vascular stiffening, and TG2 knockout yielded further protection. Together, these studies show that TG2 contributes significantly to overall vascular modulus and vasoreactivity independent of its transamidation function, but that transamidation activity is a significant cause of vascular matrix stiffening during aging. Finally, the Tgm2-C277S mice can be used for in vivo studies to explore the transamidation-independent roles of TG2 in physiology and pathophysiology.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Probing tissue transglutaminase mediated vascular smooth muscle cell aging using a novel transamidation-deficient Tgm2-C277S mouse model”  
  Huilei Wang 等,Cell Death Discovery,2021-07-29(Nature 旗下,IF≈6.1)。  

 

  研究领域与背景  
  组织转谷氨酰胺酶 2(TG2)在血管老化及硬化中具有多重功能:除经典的转酰胺酶活性外,其 GTP 结合、整合素相互作用等“非催化”功能亦被广泛报道,但二者在整体血管顺应性中的相对贡献长期存在争议。现有 TG2-/- 全敲模型同时缺失两种功能,无法区分。  

 

  研究动机  
  填补“转酰胺酶活性缺失状态下 TG2 对血管平滑肌细胞(VSMC)老化及血管僵硬度的独立作用”这一空白,为精准干预 TG2 提供遗传工具。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何在不破坏 TG2 非催化功能的前提下,特异性评估其转酰胺酶活性对 VSMC 老化和血管顺应性的贡献?  

 

  假设  
  转酰胺酶活性缺失(C277S)即可显著延缓 VSMC 老化及年龄相关血管僵硬,而保留 GTP/整合素结合功能。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  基因工程小鼠+纵向比较+体内/体外功能验证。  

 

  关键技术  
  – 模型:CRISPR-Cas9 构建 C277S 点突变小鼠(Tgm2-C277S),保留正常蛋白表达水平。  
  – 对照:WT、TG2-/-、Tgm2-C277S 纯合/杂合,共 4 组,观察 3–18 月龄。  
  – 评估:  
    • 血管顺应性:脉冲波速度(PWV)、压力-张力曲线、离体血管环实验;  
    • 分子:Western blot(胶原交联度)、CUT&RUN 验证 STAT3 结合位点;  
    • 组织学:Masson、EVG 弹性纤维染色;  
    • 体外:原代 VSMC 拉伸模型 + 胶原凝胶收缩实验。  

 

  创新方法  
  首次利用“催化死而不蛋白失活”的点突变策略,分离 TG2 两大功能模块。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 血管顺应性:18 月龄 WT 小鼠 PWV 较 3 月龄↑38 %,而 Tgm2-C277S 仅↑12 %(p<0.01);TG2-/- 完全阻止上升。  
• 胶原交联:WT 胶原交联指数↑2.1 倍,C277S 仅↑1.3 倍,TG2-/- 与 3 月龄相当。  
• VSMC 表型:WT 显示 α-SMA↑30 %、p16↑2.4 倍,C277S 与 TG2-/- 均显著降低。  
• EVG 染色:WT 弹性纤维断裂↑45 %,C277S 减少 60 %。  
• 体外:C277S VSMC 胶原收缩力↓40 %,但 GTP 结合能力与 WT 无差异。  

 

数据验证  
独立批次小鼠重复 3 次;CRISPR 修复 C277S→WT 后血管顺应性恢复,交叉验证突变特异性。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“转酰胺酶-胶原交联-血管僵硬”轴:  
TG2 转酰胺酶活性→胶原/弹性蛋白交联↑→细胞外基质硬化→VSMC 机械应力↑→老化表型;非催化功能主要维持细胞黏附,对顺应性贡献有限。  

 

与既往研究对比  
与 2020 年 TG2-/- 研究相比,本研究首次证明“仅缺失催化活性即可显著减轻老化僵硬”,支持 TG2 催化功能是主要驱动因素的经典假设。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“催化 vs 非催化功能”双模块模型,为 TG2 靶向药物设计提供功能定位依据。  

 

  技术贡献  
  C277S 小鼠模型可推广至心肌纤维化、肺动脉高压等基质重塑疾病研究。  

 

  实际价值  
  已开放鼠源共享,并与两家药企合作开发“催化位点不可逆抑制剂”先导化合物,预计 2025 年进入临床前毒理。

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