摘要: 哺乳动物妊娠期间，胎盘是保障母儿健康重要的临时性器官，其重要功能包括:合成和分泌多种激素和因子以调节妊娠适应性、在母胎间传递营养物质和代谢产物、维持母体对半异体胎儿的免疫耐受以及抵御外界病原体的侵入等。胎盘滋养层起源于囊胚期的单层滋... 展开 哺乳动物妊娠期间，胎盘是保障母儿健康重要的临时性器官，其重要功能包括:合成和分泌多种激素和因子以调节妊娠适应性、在母胎间传递营养物质和代谢产物、维持母体对半异体胎儿的免疫耐受以及抵御外界病原体的侵入等。胎盘滋养层起源于囊胚期的单层滋养外胚层，至妊娠中期发育为结构和功能基本成熟的器官，其细胞成分复杂，并发生多细胞间的精细互作。胎盘在保障胎儿发育的同时，自身也需快速生长和复杂分化，故而是高耗能器官，已有研究显示妊娠期胎盘可消耗母血中约30％的葡萄糖。因此，适宜的胎盘-胎儿营养分配对确保胎儿和母体的健康是至关重要的。胎盘代谢异常往往会导致胎盘局部氧化应激损伤和营养传输紊乱，与子痫前期、复发流产和胎儿生长受限等妊娠并发症密切相关。 胎盘滋养层细胞的分化路径之一为单核的细胞滋养层细胞(CTB)历经合体化过程分化为多核的合体滋养层(STB),形成绒毛结构，主要执行母胎间营养物质运输及内分泌功能。以往研究发现STB中线粒体呈现较小的囊泡状结构。作为细胞能量生成和调节中心，线粒体形态的改变往往与细胞代谢模式的变化直接相关。但迄今胎盘中CTB分化为STB的进程中，营养代谢模式如何改变、胎盘和胎儿间营养分配如何协调、其深入的调节机制是什么，均是悬而未决的科学问题。基于此，本研究综合利用原代胎盘滋养层细胞、人类滋养层干细胞(hTSCs)及其诱导分化、hTSCs异种移植小鼠等模型，结合转录组、代谢组、表观遗传组学分析等手段，系统研究了人类滋养层细胞合体化进程中细胞内葡萄糖代谢模式的变化及其与细胞分化的交互调节机制。 我们首先在分离纯化的人妊娠早期胎盘CTB和STB中，发现未分化的CTB中葡萄糖代谢关键酶(包括HK1、HK2、PFKL、PFKP、LDHA、LDHB等)以及糖酵解关键代谢产物(包括葡萄糖、6-磷酸果糖、丙酮酸、乳酸等)水平都显著高于分化终末STB中的水平。在hTSCs诱导合体化模型中，发现糖代谢在未分化的hTSCs中高度活跃，而合体化进程中伴随了糖酵解水平的迅速下降。适宜浓度的糖酵解关键代谢物(葡萄糖、丙酮酸和醋酸)可促进hTSCs合体化，而糖酵解关键酶HK的抑制剂(2-DG)或LDHA的抑制剂(oxamate)导致hTSCs合体化程度显著下降;添加醋酸(acetate)以补充细胞内乙酰辅酶A(acetyl-CoA)，可以挽救oxamate所引起的合体化命运异常。可见，虽然合体滋养层细胞中糖酵解水平迅速降低，但基础水平的糖酵解对于合体化的发生是必需的。 既往有研究表明,糖酵解来源的acetyl-CoA不仅能够作为TCA循环的底物，还可作为赖氨酸乙酰化底物参与组蛋白的乙酰化修饰及染色质开放调节，从而推动胚胎干细胞分化。我们进而在hTSCs中发现，acetate明显改善了由oxamate造成的胞内乙酰化赖氨酸水平的下降，更重要的是，它显著挽救了组蛋白H3和H4K16的乙酰化水平。进一步地，高通量RNA-seq结果显示，hTSCs合体化过程中，acetate的补充促进了合体化启动（cAMP通路等）以及合体化功能维持（激素合成等）相关基因的表达，并挽救oxamate所造成的细胞代谢损伤和炎症压力。表观基因组学分析发现，hTSCs合体化进程中，组蛋白H4K16乙酰化位点主要存在于多个合体化调节基因、STB功能维持必须基因、抗氧化相关基因等的转录起始位点上。这些结果表明glucose-acetate代谢通路可通过acetyl-CoA维持的组蛋白H4K16乙酰化，调节滋养层细胞合体化激活基因及抗氧化基因的表达，并抑制细胞的促炎反应。 最后，我们在hTSCs异种移植小鼠模型中，发现oxamate处理后的hTSCs在小鼠皮下难以自发形成STB，而oxamate和acetate合并处理后的hTSCs在小鼠皮下的自发合体化能力得到明显恢复，可达到对照组hTSCs的合体化水平。可见，短暂的糖酵解阻断可能在hTSCs中造成合体化潜能降低的印记，从而永久性损伤合体化进程，并可能诱导滋养层细胞的促炎命运。acetate补充可以永久性挽救这些表观遗传紊乱，使滋养层细胞的自发合体化能力得以恢复。 综上，本研究阐释了人胎盘滋养层细胞合体化进程中糖代谢模式的变化规律，揭示了 glucose-acetate代谢在胎盘滋养层干细胞分化命运调节中重要的表观遗传作用。表明胎盘STB将自身的葡萄糖代谢降低至分化命运表观遗传调节所需的基础水平，以便将更多的葡萄糖输送给快速生长的胎儿。相关结果为进一步揭示母体-胎盘-胎儿营养分配的协调机制、挖掘妊娠相关疾病的表观遗传调节机理奠定了坚实的基础。 收起