Aterosklerotik damar hastalığında endotel hücrelerindeki somatik gen mutasyonlarının rolü
The role of somatic gene mutations on endothelial cells in atherosclerotic vascular disorder
Yazar: REYHAN KÜÇÜKKAYA
Danışman: PROF. DR. TUBA GÜNEL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoloji ve Genetik  Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Hematoloji = Hematology ; Moleküler Tıp = Molecular Medicine

Özet:
İskemik kalp ve damar hastalıklarının patogenezinden aterosklerotik lezyonlar sorumludur. Aterosklerozun nasıl başladığı ve sürecin nasıl ilerlediği hala tam olarak aydınlatılamamıştır. Konvansiyonel tedavi yaklaşımları maalesef yeterli değildir ve aterosklerotik damar hastalığı son 30 yılda ölüm nedenleri sıralamasında birinci olmaya devam etmektedir. Aterosklerozun karmaşık patogenezinin aydınlatılması morbidite ve mortalitesinin azaltılması açısından çok önemlidir.
Son yıllarda hematolojik kanserlerde görmeye alışık olduğumuz klonal hematopoiezise neden olan bazı somatik mutasyonların normal popülasyonda yaşla birlikte arttığı görülmüştür. Bu durum CHIP (clonal hematopoiesis of indeterminate potential) olarak tanımlanmaktadır. Popülasyon çalışmalarında periferik kan hücrelerinde CHIP varlığı koroner hastalık ve inme riskini arttıran bağımsız bir faktör olarak tanımlanmıştır. CHIP mutasyonlarının hücre proliferasyonunu arttırarak, immün hücrelerin fonksiyonlarını değiştirerek ve inflamasyonu tetikleyerek aterosklerotik lezyonların oluşmasını ve progresyonunu yönettiği gösterilmiştir. 
Hematopoietik kök hücre mutasyonlarının aterosklerozdaki yeri yeni tanımlanmaya başlamakla birlikte, endotel hücrelerini ilgilendiren somatik mutasyonlar ve bunların endotel fonksiyonları ve aterosklerozdaki rolü ile ilgili herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. 
Bu doktora tezi çalışmasında ateroskleroz nedeniyle semptomatik karotis darlığı gelişen ve karotis endarterektomi operasyonu yapılan hastalarda, çıkarılan ateroma materyalindeki endotel hücrelerinin somatik mutasyonlar açısından değerlendirilmesi hedeflendi. Bu amaçla 55 yaş üzerindeki, herhangi bir kanser öyküsü veya bulgusu olmayan ardışık 30 hastanın ateroma örnekleri, periferik kan ve ağız içi sürüntü örnekleri elde edildi. Hastaların ateroskleroz risk faktörleri, kişisel bilgileri ve mevcut hastalıkları ile ilgili verileri kaydedildi. Ateroma örneklerinden akım sitometrisi yoluyla endotel hücreleri izole edildi. Endotel hücreleri tüm ekzom dizileme ile incelendi ve somatik CHIP mutasyonları araştırıldı. Çalışmaya dahil edilen 30 hastanın erkek/kadın oranı 22/8, medyan yaşı 70 (58-84) idi. Kohortumuzda 17 hastada diyabetes mellitus, 22 hastada hipertansiyon tanısı mevcuttu. Hastaların tamamında diğer arterlerde de değişik derecelerde aterosklerotik lezyonlar saptanmıştı, 14 hastada koroner arter arter hastalığı nedeniyle girişim (koroner stent, bypass cerrahisi) uygulanmıştı. 
Tüm ekzom dizileme sonrası, varyant allel frekansı (VAF)>%2 olarak filtrelendiğinde 10 hastanın aterosklerotik karotis endotel hücrelerinde 12 farklı klonal hematopoiezis mutasyonlarının olduğu gösterildi. Bu 10 hastanın periferik kan hücreleri ve ağız içi sürüntüsünden elde edilen epitel hücreleri ile de tüm ekzom dizilemesi yapıldığında 7 mutasyonun doğuştan (germline) olduğu anlaşıldı. Dört hastada görülen 4 farklı klonal hematopoiezis mutasyonunun endotel hücreleriyle birlikte periferik kan hücrelerinde de olduğu, ancak ağız içi epitel hücrelerinde görülmediği, dolayısıyla somatik mutasyonlar (CHIP) olduğu tespit edildi. Bu somatik CHIP mutasyonları (NSD1, rs1763371836, C>A, G; CCND2, rs1864224655, A>C; BCORL1, rs1929229770, C>T ve ETV6, rs139975161, G>A) hücre proliferasyonu ve farklılaşmasını yöneten genler ile ilgilidir ve yanlış anlamlı (missense) mutasyonlardır, VAF değerleri %38-97 arasındadır. Çalışmamızda, literatürde ilk defa, endotel hücrelerinde de somatik klonal mutasyonların (klonal endotelipoiezis) var olduğu gösterilmiştir.
Endotel hücresi, periferik kan hücresi ve ağız içi epitel hücrelerine ait tüm ekzom dizileme işlemi yapılmış olan 10 hastanın verileri, ateroskleroz patogenezindeki rolü ispatlanmış JAK2 V617F mutasyonu açısından değerlendirildiğinde 3 hastada periferik kan hücrelerinde JAK2 V617F mutasyonu olduğu, bu hastaların ikisinde endotel hücrelerinde de JAK2 V617F mutasyonu bulunduğu, ama epitel hücrelerinde bulunmadığı gösterildi. Ayrıca VAF≤%2 olarak filtrelendiğinde, 10 hastanın tamamında endotel ve/veya kan hücrelerinde düşük frekansta farklı somatik CHIP mutasyon kombinasyonları bulundu. 
Sonuç olarak çalışmamızda literatürde ilk defa aterosklerotik endotel hücrelerinde somatik klonal mutasyonlar incelendi. Verilerimiz aterosklerotik endotel hücrelerinde, aynı periferik kan hücrelerinde olduğu gibi somatik klonal mutasyonların geliştiğini göstermektedir. Bu bulgu, aterosklerozda endotel hücrelerinin masum bir seyirci olmadığını, somatik mutasyonlarla fonksiyonları değişen endotel hücrelerinin aktif bir oyuncu olduğunu işaret etmektedir. Araştırmamızın bir diğer önemli bulgusu endotel hücrelerinde gösterdiğimiz spesifik somatik mutasyonların aynı VAF değerlerinde periferik kan hücrelerinde de bulunmasıdır. Bu bulgu postnatal dönemde hemangioblast veya hemangioblast-benzeri hematopoietik kök hücrelerin var olmaya devam ettiğini ve mutasyonların kaynağının hematopoietik kök hücreler olduğunu desteklemektedir.
Günümüzde hematolojik kanserlerde moleküler analizlere dayanılarak tanının belirlenmesi ve tedavinin kişiselleştirilmesi ile çok başarılı sonuçlar elde edilmektedir. Aynı hematolojik kanserlerde olduğu gibi, aterosklerotik hastalıklarda da endotel ve kan hücrelerine ait somatik mutasyonların analizleri ateroskleroz patogenezindeki bilinmeyen noktaları aydınlatacak, tanı ve prognoz ile ilişkili belirteçler olarak kullanılabilecek, yeni hedef ilaçların geliştirilmesine ön ayak olacaktır. Çalışmamızın verileri, ateroskleroz tanısı ve tedavisinde yeni bir sayfa açacak önemli bilgiler içermektedir. Daha fazla sayıda hasta içeren kohort çalışmaları, hayvan modelleri ve endotel hücre kültürü çalışmaları ile ateroma endotel hücrelerinde gösterdiğimiz somatik mutasyonların klinik, biyokimyasal ve patolojik sonuçlarının değerlendirilmesi planlanmaktadır.

Abstract:
Atherosclerotic lesions are responsible for the pathogenesis of ischemic cardiovascular diseases. The exact mechanism of how atherosclerosis initiates and progresses are still not fully elucidated. Unfortunately, conventional treatment approaches are insufficient, and atherosclerotic cardiovascular disease has remained the leading cause of death over the past 30 years. Understanding the complex pathogenesis of atherosclerosis is crucial for reducing its morbidity and mortality. 
In recent years, it has been understood that certain somatic mutations, which cause clonal hematopoiesis commonly seen in hematological cancers, increase with age in the normal population. This condition is defined as CHIP (Clonal hematopoiesis of indeterminate potential). In population studies, the presence of CHIP mutation in peripheral blood cells has been identified as an independent factor that increase the risk of coronary atherosclerosis and stroke. It has been shown that CHIP mutations drive the formation and progression of atherosclerotic lesions by increasing cell proliferation, altering the function of immune cells, and triggering inflammation. 
Although the role of somatic clonal hematopoietic stem cell mutations in atherosclerosis is just starting to be recognized, there are no studies on somatic mutations affecting endothelial cells and their impact on endothelial functions and atherosclerosis. 
In this doctoral thesis, the aim was to evaluate the somatic clonal mutations in endothelial cells from atheroma material extracted from patients who developed symptomatic carotid artery stenosis due to atherosclerosis and underwent carotid endarterectomy. For this purpose, atheroma, peripheral blood, and buccal swab samples were collected from 30 consecutive patients over 55 years of age with no history or findings of cancer. Data on patients' atherosclerotic risk factors, personal information, and existing diseases were recorded. Endothelial cells were isolated from the atheroma samples through flow cytometry. Endothelial cells were examined using whole exome sequencing, and somatic CHIP mutations were investigated. Among the 30 patients included in the study, the male/female ratio was 22/8, and the median age was 70 (range 58-84). In our cohort, 17 patients were diagnosed as diabetes mellitus and 22 with hypertension. All patients had atherosclerotic lesions varying degrees in other arteries as well, and 14 patients had undergone interventions (coronary stent, bypass surgery) due to coronary atherosclerosis.
After whole exome sequencing and filtering for variant allele frequency (VAF)>2%, 12 different clonal hematopoiesis mutations were identified in the atherosclerotic carotid endothelial cells of 10 patients. Upon examining the peripheral blood cells and epithelial cells obtained from buccal swabs of these 10 patients, it was determined that 7 of the mutations were germline. Four distinct clonal hematopoiesis mutations found in 4 patients were present in both endothelial cells and peripheral blood cells but not in buccal epithelial cells, indicating that these were somatic mutations (CHIP). These somatic CHIP mutations (NSD1, rs1763371836, C>A, G; CCND2, rs1864224655, A>C; BCORL1, rs1929229770, C>T, and ETV6, rs139975161, G>A) affect genes that regulate cell proliferation and differentiation; these are missense mutations with VAF values ranging from 38% to 97%. In our study, it was demonstrated for the first time in the literature that somatic clonal mutations (clonal endotheliopoiesis) also exist in endothelial cells.
When the data of the 10 patients, who underwent whole exome sequencing for endothelial cells, peripheral blood cells, and buccal epithelial cells were evaluated for the JAK2 V617F mutation, which is proven to play a role in the pathogenesis of atherosclerosis, it was found that 3 patients had somatic JAK2 V617F mutations in their peripheral blood cells. Additionally, 2 of these patients also had JAK2 V617F mutation in their endothelial cells but not in epithelial cells. Furthermore, when filtered for VAF≤ 2% different combinations of low-frequency somatic CHIP mutations were found in the endothelial cells and/or blood cells of all 10 patients.
In conclusion, our study is the first in the literature to examine somatic clonal mutations in atherosclerotic endothelial cells. Our data indicate that somatic clonal mutations develop in atherosclerotic endothelial cells like those in hematopoietic cells. This finding suggests that endothelial cells in atherosclerosis are not innocent bystanders but active players whose functions are altered by somatic mutations. Another significant finding of our study is that the specific somatic mutations we identified in endothelial cells were also found in peripheral blood cells at similar VAF values. This supports the idea that hemangioblasts or hemangioblast-like hematopoietic stem cells persist postnatally and that the source of these mutations is hematopoietic stem cells.
Nowadays, molecular analyses in hematological cancers have led to successful outcomes in diagnosis and personalized treatment. Similarly, in atherosclerotic diseases, analyzing somatic mutations in endothelial and blood cells will illuminate unknown aspects of atherosclerosis pathogenesis, serve as markers for the diagnosis and prognosis, and pave the way for the development of new targeted therapies. The data from our study contain important information that will open a new chapter in the diagnosis and treatment of atherosclerosis. Future cohort studies with a large number of patients, animal models, and endothelial cell culture studies are planned to evaluate the clinical, biochemical, and pathological implications of the somatic mutations we identified in atheroma endothelial cells.