第 11 章：揭示动脉粥样硬化中的性别偏倚转录组学机制（Unveiling sex-biased transcriptomic mechanisms in atherosclerosis）

导论：动脉粥样硬化中的性别偏倚（Introduction: Sex bias in atherosclerosis）

动脉粥样硬化的发病与进展呈现明显的性别差异。流行病学研究一致显示,男性比女性更早罹患动脉粥样硬化,而女性通常在绝经之后,亦即晚年,才较多发病。这种差异可归因于性激素、性染色体以及性别偏倚基因表达模式之间的复杂交互作用。理解这些性别偏倚机制对开发个体化诊断与靶向治疗至关重要,有助于改善两性患者的临床结局。

在促成性别差异的多种因素之中,核心可归结为遗传、激素与环境三类因素的交互作用。生理条件下,女性为 XX、男性为 XY 的性染色体组成差异,会影响血管生物学与免疫反应相关基因的表达。性激素方面,雌激素与雄激素均发挥关键作用:雌激素中以 17β-雌二醇为代表,具有公认的心血管保护效应;雄激素(主要是睾酮)的作用更为复杂,在不同情境下兼具保护与损害的双重效应。此外,生活方式因素(饮食、运动、吸烟)亦参与塑造动脉粥样硬化的性别差异格局。

性激素在动脉粥样硬化血管生物学中的作用（Role of sex hormones in vascular biology of atherosclerosis）

性激素影响血管生物学与动脉粥样硬化的机制复杂,作用于内皮细胞、平滑肌细胞与巨噬细胞等关键血管细胞。女性的雌激素,特别是 17β-雌二醇,通常被认为具有抗心血管疾病作用。具体而言,17β-雌二醇通过改善血脂谱、降低炎症、改善内皮功能以及抑制血管平滑肌细胞增殖而发挥抗动脉粥样硬化效应。在内皮层面,雌二醇通过促进一氧化氮生成并减少氧化应激改善内皮功能;在脂质代谢方面,它升高 HDL、降低 LDL 胆固醇。综合而言,雌二醇促进内皮依赖性血管舒张,并兼具抗炎与抗氧化特性,对维持血管健康至关重要。

睾酮则对血管健康兼具益处与损害。它可改善内皮功能、调节脂质代谢与炎症反应,并能升高 HDL,但同时也可能促进炎症并推动斑块内 LDL-胆固醇蓄积。因此,其对动脉粥样硬化进展的总体效应仍存争议,需视具体的保护与损害效应之间的平衡而定。

年龄因素不可避免地与性激素效应相互交织。女性方面,绝经标志着卵巢雌激素产量急剧下降;男性方面,雄激素水平的下降则更为渐进。两者皆与衰老相关的心血管效应相重合:绝经后女性游离睾酮水平升高,与冠状动脉钙化(冠状动脉钙质沉积,一种亚临床动脉粥样硬化标志)加速进展相关;而 SHBG(性激素结合球蛋白)水平则与钙化进展减缓相关,提示更具雄激素特征的激素谱可能增加绝经后女性的动脉粥样硬化风险。另一项研究亦显示,较低水平的 SHBG 与雌二醇与颈动脉内膜中层厚度进展加快相关,进一步支持雌激素与 SHBG 的保护作用。男性情境中,睾酮水平随增龄下降,并与动脉粥样硬化性心血管疾病风险增加相关,但同时也存在促炎效应,可能促进动脉粥样硬化。例如,较高水平的游离睾酮与斑块内炎症免疫细胞募集增多相关;而老年男性中较低水平的游离睾酮与颈动脉内膜中层厚度进展减缓相关,提示睾酮的潜在保护作用;然而较高水平的雌二醇却与颈动脉内膜中层厚度进展加快相关,反映两性之间激素-血管效应的差异。

性激素对血管效应的分子基础涉及 miRNA 调控。心血管病理生理过程与 miRNA 调控的基因表达相关,并受雌二醇调节。生理浓度 17β-雌二醇处理人内皮细胞后,超过 100 种 miRNA 的表达发生改变,可能通过调控内皮细胞的基因表达、影响血管张力以及调节氧化应激通路,参与雌激素对心血管老化的保护效应。17β-雌二醇可上调内皮细胞中的特定 miRNA,如 miR-126、miR-146a、miR-181b 与 miR-let-7a,这些 miRNA 通过减少 IL-6、IL-8 等促炎细胞因子释放并抑制 NF-κB 活化,发挥抗炎作用。其中 miR-126 通过靶向血管炎症通路促进内皮修复、抑制动脉粥样硬化进展。后续研究进一步强调雌激素敏感性 miRNA 在影响内皮细胞生理、炎症反应与血管重塑的基因调控网络中的作用,提示 17β-雌二醇对 miRNA 的调控可能带来心血管保护效应,使 miRNA 干预成为女性心血管疾病的潜在治疗策略。

雄激素与 miRNA 的交互同样影响心血管健康与动脉粥样硬化进展。睾酮在前列腺癌细胞与肌肉组织中调控 miRNA 表达谱,提示其可能参与调节动脉粥样硬化中的性别偏倚 miRNA,但直接研究该议题的工作仍属有限。miRNA 在心血管健康与动脉粥样硬化中扮演关键角色,而其与雄激素类激素之间交互的复杂性,仍需进一步研究以充分理解其关系及对治疗策略的影响。

雄激素与雌激素受体在动脉粥样硬化中的作用机制（Mechanisms of androgen and estrogen receptors in atherosclerosis）

性激素通过胞内受体与膜受体介导其作用。雌激素受体(ER)几乎在所有组织中均有表达,其功能依分布而异。在血管层面,ER 表达于内皮细胞、血管平滑肌细胞与心肌细胞;在循环细胞中则表达于单核细胞、巨噬细胞与树突状细胞,提示其对心血管功能与炎症具有调节作用。雌二醇通过与 ERα 与 ERβ 结合(两者作为转录因子介导基因组效应)、以及与膜特异性 G 蛋白偶联雌激素受体(GPER)结合(介导快速效应)而调控细胞功能。在经典通路中,雌激素跨越质膜后,与胞质中的 ERα/ERβ 结合,形成同源或异源二聚体并转位入核,与靶基因启动子区的雌激素反应元件(ERE)结合,启动转录。除核内作用外,雌激素还可结合 GPER,快速激活核内转录因子,触发快速细胞应答。此外,ER 还存在于线粒体中,允许雌激素调控 ATP 产生、活性氧生成、钙离子内流与凋亡等关键过程。除经典通路外,ER 还可被生长因子以非雌激素依赖的方式在血管细胞中激活。ERα 与 ERβ 还存在剪接变异体(如 ERα46 抑制全长 ERα;ERα36 缺乏激活功能域;ERβ2/4/5 等不能结合配体),可通过与全长 ERα/ERβ 形成异源二聚体干扰雌激素信号传导。这种兼具基因组与非基因组机制的复杂体系,通过雌激素调控心血管功能。

雌激素通过其受体,对心血管系统兼具保护与损害的性别依赖性效应。ERα 与 ERβ 在动脉粥样硬化中的作用复杂且情境依赖。雌激素通过抑制促炎细胞因子激活并降低促进白细胞浸润至血管内皮的黏附分子表达,发挥抗炎作用。事实上,巨噬细胞募集受雌二醇循环水平调节,经由 MCP-1 等促炎分子介导。涉及的受体主要为 ERα,因为它与 MCP-1 表达增加相关,可能加剧斑块不稳定性。相反,ERβ 激活可降低 MCP-1 表达并抑制 MMP-2 活性,有助于维持斑块稳定。这两类受体亚型之间的平衡,对雌激素在动脉粥样硬化斑块中的总体效应具有决定性意义。另一方面,GPER 与雌激素的血管保护效应相关:GPER 激活可促使血管平滑肌细胞向收缩表型分化,通过促进 LDL 受体表达并抑制 PCSK9 介导的 LDL 受体降解而降低 LDL 水平,这些作用共同促进动脉粥样硬化的缓解。

内皮功能是动脉粥样硬化进展与心血管疾病发生的关键影响因素。雌激素对内皮生理的调节作用已有充分认识,其对 miRNA 调控的影响尤为显著。具体而言,雌二醇通过升高 DGCR8 与 Exportin-5、并降低 DROSHA、DICER 与 AGO-2 表达,影响人内皮细胞中的 miRNA 生物合成机器。此外,雌二醇上调 miR-30b-5p、miR-487a-5p、miR-4710 与 miR-501-3p,下调 miR-378h 与 miR-1244,并在其调控区鉴定到 ERE 结合位点,提示雌激素受体参与 miRNA 对内皮功能的精细调控。多数被分析的 miRNA 主要由 ERα 调控,ERβ 与 GPER 亦参与此调控网络。

雄激素方面,在经典作用模型中,睾酮与二氢睾酮穿越质膜并与雄激素受体(AR)结合形成激素-受体复合物,继而二聚化并与 DNA 上的雄激素反应元件(ARE)结合,作为转录因子调控靶基因表达。该过程还可间接增加硫化氢(H2S)产生,经由 TRP4 通道介导血管舒张,同时调节离子通道表达,最终影响血管张力。评估雄激素效应时,还需考虑芳香化酶活性,因为睾酮等雄激素可被代谢为雌二醇,故芳香化酶表达可作为雌激素产量的指标。雄激素通过其向雌激素衍生物的转化以及直接作用于血管细胞,亦参与动脉粥样硬化与心血管疾病的调控。

雄激素衍生物 5α-雄甾烷-3β,17β-二醇(3β-Adiol)已被证明可抑制内皮细胞与巨噬细胞的炎症反应。该效应并非通过 AR,而是通过其对 ERβ 的高亲和力介导,提示雌激素通路在雄激素抗炎效应中的关键作用。体内研究亦证明,3β-Adiol 可对抗 LPS 诱导的动脉壁炎症反应,凸显其在动脉粥样硬化中的潜在治疗价值。

性染色体与动脉粥样硬化中的组织特异性基因表达（Sex chromosomes and tissue-specific gene expression in atherosclerosis）

除激素作用外,性染色体本身亦在动脉粥样硬化中扮演关键角色。性别差异的遗传基础根植于性染色体组成的差异:生理条件下,女性为两条 X 染色体,男性为一条 X 与一条 Y 染色体,导致基因剂量与表达的差异。例如,逃避 X 失活的基因可促成性别偏倚基因表达模式。因此,某些 X 连锁染色体基因逃避 X 失活可能导致性别偏倚的基因表达失衡;正常情况下,通过 X 失活可在男女之间维持平衡的基因表达。

详细而言,哺乳动物已演化出在雌性中随机失活一条 X 染色体的机制,以理想地平衡两性基因表达。然而,部分基因仍能逃避该失活,失活 X 等位基因的表达可从很低的比例到接近活性等位基因水平不等。大多数基因的失活模式稳定,但部分基因的逃避 X 失活呈现组织特异性差异。不同物种与组织之间逃避基因身份与分布的差异提示这些基因在特定特征的性别差异演化中发挥作用。事实上,异常的 X 染色体失活被认为是心血管疾病性别差异的潜在机制。例如,参与翻译后修饰、表观遗传修饰与细胞间信号传导的 X 染色体连锁基因,在女性心脏缺血事件后血液中表达增高;PLA2G7 基因启动子的高甲基化仅在女性中提示更高的冠心病风险。其他 X 染色体连锁基因与凋亡、脂质氧化及氧衍生自由基生成相关,在心血管事件后于男女之间呈现差异表达,并可能以性别依赖方式影响动脉粥样硬化的发生与进展。

Y 染色体上的基因变异则可能促成男性特有的心血管表型。例如,某 Y 染色体位点可能独立于睾酮水平影响 LDL 水平;一项男性严重冠心病亚型与某 Y 染色体基因变异相关,潜在机制涉及免疫与炎症交互。UTY(普遍转录的含四肽重复 Y 连锁)与 I1 单倍群相关,在血液来源的巨噬细胞中表达升高,具有组蛋白去甲基化酶活性,可能通过巨噬细胞的炎症效应参与动脉粥样硬化。还有研究提示此前识别的 I 单倍群与冠心病的关联并非由性类固醇的异常调控介导。此外,Y 连锁长非编码 RNA lnc-KDM5D-4 与脂肪肝相关动脉粥样硬化相关,该 lncRNA 在肝细胞核内滞留,可能参与调控胆固醇水平与心血管疾病风险。最后,Y 染色体缺失(随增龄渐进性发生)与心血管疾病及相关死亡风险升高相关。

综上,性染色体通过影响组织特异性基因表达,在动脉粥样硬化的发生与进展中扮演关键角色,从而导致显著的男女差异。例如,小鼠模型研究表明,XX 性染色体补体可在不依赖性激素的情况下促进动脉粥样硬化,凸显两性之间固有的遗传差异。四核心基因型(FCG)模型进一步表明,性染色体与性激素均以复杂方式相互影响、扮演主要角色。该模型将性腺性别与性染色体补体分离:具体而言,将 Y 染色体上的睾丸决定基因 Sry 易位至常染色体,使 FCG 小鼠包括 XX 与 XY 性腺雄性(XXM、XYM)以及 XX 与 XY 性腺雌性(XXF、XYF)。该模型允许研究者在共享同一性别表型、性腺类型与性激素水平的前提下,考察 XX 与 XY 小鼠之间的差异,从而区分性激素效应与性染色体效应。

应用 FCG 小鼠等模型的研究表明,致动脉粥样硬化性脂质与动脉粥样硬化在 XX 小鼠中较 XY 小鼠更为严重,即便在缺乏内源性性激素时亦然,凸显性染色体的重要调节作用。机制上,XX 小鼠表现出更高的血清总胆固醇与 LDL 胆固醇浓度,并伴有脂肪量增加。

这些发现共同凸显,在理解动脉粥样硬化性别差异时,需要同时考虑激素与染色体两方面因素。

动脉粥样硬化组织中的性别偏倚转录组学差异（Sex-biased transcriptomic differences in atherosclerotic tissues）

转录组学分析揭示了动脉粥样硬化组织内基因表达的显著性别差异。例如,单细胞 RNA 测序显示动脉粥样硬化组织内网络活性存在显著性别差异:与免疫反应相关的基因在男性个体中更为活跃,而与间充质细胞与内皮细胞相关的基因在女性个体中更为活跃。值得注意的是,女性冠心病的关键驱动基因主要在平滑肌细胞(SMC)中被发现,提示 SMC 表型转换在女性动脉粥样硬化中起关键作用,其基础是两性间 SMC 与内皮细胞生物学的差异。另一项研究评估性别差异与表型相关基因后,发现男性特异性基因与不稳定斑块特征显著重叠,而女性特异性基因则与稳定斑块特征相重叠。这与以下临床观察一致:男性更易形成易损斑块(伴随免疫细胞浸润增加与促炎标志物高表达),而女性更倾向形成更稳定、纤维化的斑块。SMC 通过细胞外基质产生在维持斑块稳定性中发挥关键作用,由此可解释斑块稳定性的性别偏倚差异。具体而言,男性斑块的坏死核心更大、巨噬细胞含量更高;女性斑块则含更多胶原与胆固醇结晶。

此外,对人外周血单核细胞的高维单细胞分析揭示了与冠心病性别差异相关的独特中间型单核细胞亚群。在临床上冠心病严重程度高的受试者中,中间型单核细胞升高;而男女受试者来源的中间型单核细胞在基因表达上呈现显著差异。在 LDL 内化过程中,男性单核细胞来源的 M1 巨噬细胞表现出更显著的促炎基因表达;相比之下,女性 M1 巨噬细胞则显示更多与细胞损伤相关的标志物。在常见于动脉粥样硬化斑块的 CD4+ T 细胞中,亦记录到显著的转录组调控性别差异。总体而言,这些性别偏倚的基因表达模式为男女动脉粥样硬化进展与严重程度差异的分子机制提供了洞见。

重要的是,这些差异在心、肾、脑等多种组织中皆有体现,并同时受性激素与性染色体影响。性激素(特别是雌二醇与睾酮)在调节 SMC 与内皮细胞功能等方面扮演关键角色,影响心血管风险,最终促成动脉粥样硬化的性别偏倚差异。具体而言,男性中的睾酮被认为促进炎症免疫细胞募集进入动脉粥样硬化斑块,而女性中的雌激素则发挥抗动脉粥样硬化效应,有助于斑块稳定。最后,在动物模型中研究性激素效应时,遗传背景可能影响潜在效应,故需审慎考量。

临床意义与未来方向（Clinical implications and future directions）

理解动脉粥样硬化中的性别偏倚机制具有重要临床意义。考虑到性别偏倚通路的个体化治疗策略可改善疗效、降低心血管疾病负担。例如,男性中靶向 AR、女性中增强 ER 信号可能带来性别偏倚的治疗获益。未来研究应聚焦整合多组学数据,以发掘新的性别偏倚治疗靶点,并开发针对男女独特生物学特征的个体化医疗方案。

总之,动脉粥样硬化中的性别偏倚转录组学机制由性激素、性染色体与组织特异性基因表达之间的复杂交互所驱动。这些差异凸显将性别作为生物学变量整合进动脉粥样硬化研究与临床实践的重要性。通过解析这些机制,可为男女心血管疾病的有效、个体化治疗铺平道路。

本章个人批注

本章系统综述了动脉粥样硬化中性别偏倚的分子机制,涵盖流行病学现象(男性早发、女性绝经后陡升)、性激素与受体的双向调控、性染色体补体的独立贡献,以及组织与细胞水平的转录组学差异。整体写作结构为"现象→性激素机制→受体机制→染色体机制→组织转录组→临床展望"的递进叙事,与 Ch8/9/10 等"方法/桥接/转化"章在主题上不同——本章更接近"按生物学维度纵切"的章节,与 Ch3 的"斑块表型"章、Ch7 的"表观转录组"章在逻辑上类似,但视角聚焦于性别二态性。

阅读时需要警惕的是,作者多处将"性别偏倚基因表达"归因于激素与染色体的"复杂交互",但具体的因果分解仍依赖 FCG 等模型,在人类样本中仍难彻底剥离两者。这一点作者亦未回避,但读者应在引用时注意:大多数人类队列研究无法完全排除染色体效应,而小鼠 FCG 结果外推至人类仍需谨慎。

另一个值得标注的点是,作者对 miRNA 介导的激素-血管效应给予了较多篇幅(引用 Vidal-Gómez、Pérez-Cremades 等课题组),但 17β-雌二醇"调控超过 100 种 miRNA"的论断在生理浓度下的剂量-效应关系、以及这些 miRNA 改变的病理生理意义仍有进一步验证空间,本章未深入。

与上下章的衔接（一段话）

本章前承 Ch10"将转录组学转化为临床实践"。Ch10 讨论了如何基于转录组学对患者进行精准分型,但性别因素在分型中如何整合未深入;Ch11 自然地承接这一缺口,系统论证性别作为关键生物学变量如何渗透至激素、受体、染色体与组织转录组各层面。章末的临床意义小节又把性别偏倚视角拉回到"个体化治疗",为 Ch12"整合多组学"、Ch13"基因调控网络"以及后续生物标志物与治疗章节(Ch15–17)铺垫——后者讨论的 RNA 治疗与循环 RNA 生物标志物,均需考虑性别偏倚效应。本章可视为"主题纵切章"中聚焦性别维度的代表性章节,与 Ch3(斑块表型)、Ch7(表观转录组)并列,但视角更为综合。