胎盘是复古哺乳动物胚胎和胎儿发育所必需的临时器官。了解柔润层细胞分化和胎盘功能的分子机制可能有助于改善产科并发症的会诊和维持。思路基因是调控胎盘发育的基础,表不雅遗传学在基因抒发(尤其是思路基因)的调控中起着遑急作用。TET酶(Ten-Eleven-Translocation enzymes)是表不雅遗传学机制的一部分性交,不错将5-甲基胞嘧啶(5mC)转念为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)。DNA羟甲基化是DNA去甲基化机制中的中间体,并可能是一种褂讪且功能磋议的表不雅遗传学秀雅。DNA羟甲基化在胎盘分化和发育历程中的作用尚不总共明晰,但该领域学问的增多将有助于评估其在妊娠并发症中的潜在作用。本文综述了DNA羟甲基化过火表不雅遗传调控因子在东说念主和小鼠胎盘发育和功能中的作用,并在基因组思路机制和妊娠并发症(如宫内滋长受限,先兆子痫和妊娠丢失)的布景下对5hmC进行探讨。荟萃的盘问效果标明,DNA羟甲基化可能对调控胎盘中的基因抒发相等遑急,并领导在妊娠时辰柔润层细胞分化中起着动态作用。
胎盘是由具有非常功能的不同细胞类型构成的高度组织化器官,小鼠和东说念主的胎盘发育在结构和分子水平上存在权贵互异。在东说念主胎盘发育历程中,单核细胞柔润层(cytotrophoblas,CTB)细胞向蜕膜过错的移动标志着低级胎盘绒毛造成的开动。这些CTB分化为绒毛外CTB,具有侵袭性并参与植入历程。此外,这些CTB还分化为绒毛CTB,交融并随后造成合胞体柔润层(syncytiotrophoblast,STB)细胞,在绒毛树名义造成荟萃的合胞体层,并与流经绒毛过错的母体血液平直战争,从而收尾母体-胎儿交换。在通盘这个词妊娠历程中,STB细胞通过捏续交融低级CTB细胞来督察,因此在STB细胞内不错不雅察到不同进度染色质浓缩的细胞核花样。天然大多数细胞核漫步在合胞体内,但其他细胞核集会在终端绒毛名义(合胞结)。因此,绒毛结构由包含胎儿血管的间充质中枢、CTB层和STB外层构成(图1)。
图1:东说念主胎盘
东说念主胎盘结构(注:图纸不合适比例)。娇傲不同类型的细胞。
比较妊娠三个月的5hmC和TET水平。
比较柔润层细胞和合胞体柔润层细胞之间的5hmC水平。
绿色√秀雅:存在5hmC或表不雅遗传调控因子抒发;红色X秀雅:不存在5hmC或表不雅遗传调控因子抒发;绿色箭头⬆:5hmC或表不雅遗传调控因子水平增多;红色箭头⬇:5hmC或表不雅遗传调控因子水平裁汰;灰色方块:未盘问
在小鼠中,胎儿-母体交换发生在与东说念主绒毛胎盘雷同的“迷宫(labyrinth)”中,其具有复杂的母体和胎儿血管通说念序列。“迷宫”上方有一个由具有内分泌功能的柔润层巨细胞(trophoblast giant cell,TGC)、海绵柔润层细胞(spongiotrophoblast,SpT)和糖原柔润层细胞(glycogen trophoblast cell,GlyT)构成的联结区域(图2)。
图2:小鼠胎盘
超碰在线视频小鼠胎盘结构
比较妊娠中期和妊娠晚期的5hmC和TET水平。
胎盘发育中的TET酶与DNA羟甲基化
TET酶参与胎盘柔润层细胞的分化和调控,5hmC水平失调导致胎盘额外发育。当今对于TET酶和DNA羟甲基化在胎盘发育中的作用盘问有限。先前盘问标明,胎盘基因组中的5hmC水平权贵低于5mC水平。然而在以下两项盘问中粗放了CpG位点的存在,其5hmC水平捏续增多,高于特定阈值且在样品之间可重复。Green等团队盘问揭示了约21000个位点的5hmC平均值为13.73%,Mora等团队检测到约17000个CpG位点的5hmC富集。两项盘问均揭示了5hmC在公海(基因组等分离的CpG)和大陆架(距离CpG岛2-4 kb)区域富集,而在CpG岛中缺失。另外还检测到5hmC在基因体、5’ UTR和3’UTR区域中富集,在近端启动子(距TSS约 200–1500 bp)和TSS区域缺失。Green等评释了褂讪增强子中的富集和活性增强子内的缺失,而Mora等评释思路基因(如GNAS和H19)和胎盘特异性DMR中的5hmC,频频与亲本等位基因5mC磋议区域重迭。Green等盘问标明,与活跃转录基因比拟,转录失活基因中的5mC和5hmC水平均增多性交,其中5hmC与转录呈正磋议。昭着矛盾的盘问效果可能归因于盘活率的增多,盘活率增多与在转录失活基因中不雅察到的甲基化水平增多磋议,这些基因转念为羟甲基化水平增多。5hmC也更可能发生在妊娠中期和足月胎盘之间的互异抒发基因中。
在东说念主胎盘中,Fogarty等团队盘问标明,与CTB细胞比拟,5hmC在STB中更为富集,其中20–50%的STB细胞核在妊娠早期和中期呈阳性(positive),50%的STB细胞核在妊娠晚期呈阳性,尤其是在总共由5hmC阳性细胞核构成的合胞结中。比拟之下,大多数STB细胞核在妊娠时辰的5mC染色水平不权贵,而超50%的CTB细胞核为5mC阳性(28)。Wilson等团队使用免疫荧光法分析效果标明,与妊娠早期和中期胎盘比拟,足月胎盘的CTB和STB细胞中5hmC(和5mC)均增多(图1B)。在妊娠早期和中期,STB细胞中的5hmC染色更为权贵(图1C)。在通盘这个词妊娠时辰,跟着CTB交融产生STB,STB中可能千里积5hmC,尤其在合胞结中,可能标明结造成历程中发生的氧化毁伤。这些效果标明两种细胞类型之间的互异可能揭示其不同功能。举例绒毛柔润层细胞调度气体和养分交换,而STB在通盘这个词妊娠时辰产生和分泌大批激素,揭示了该组织的高转录和翻译智商。如Rouault等团队盘问效果揭示了CTB和STB的特异性转录组谱。
在小鼠胎盘中,在胚胎期(E)第8.5天,小鼠胎盘外胎盘锥体细胞(ectoplacental cone cell,EPC)和顶叶TGC(parietal-TGC)线路出5hmC高水温文5mC低水平。E10.5-E18.5时辰通盘“迷宫”细胞中督察细胞核内5mC水平,STB细胞核在通盘这个词妊娠时辰呈现出5mC高水平。在E10.5时,通盘“迷宫”柔润层细胞中均线路出5hmC高水平,但E18.5时水平迟缓裁汰。顶叶TGC在5hmC中迟缓裁汰,但5mC水平在E18.5时褂讪增多(图2B)。总之,这些盘问强调了不同柔润层细胞开头细胞类型的表不雅基因组动态变化,且在妊娠时辰发生变化。
另一方面,对于TET酶在柔润层细胞分化历程中的作用盘问较少。TET酶的敲低模子标明,5hmC对于督察发育和早期胚胎发生至关遑急。Yamaguchi等团队盘问标明,与对照组比拟,父系TET1-KO小鼠可导致包括胎盘颓势在内的多种表型,父系TET1-KO小鼠的胎盘权贵收缩。Rakoczy等团队盘问了TET酶在小鼠和东说念主胎盘中的抒发,小鼠中Tet1、Tet2和Tet3 mRNA在E8.5的绒毛膜、EPC和卵黄囊中抒发,在E10.5~E12.5的“迷宫”(包括窦性TGC和STB细胞)中抒发。而Tet1-3只在E14.5~E18.5的窦性TGC中抒发,在STB中Tet不抒发,这与妊娠晚期STB中不雅察到的5hmC水平一致。对于SpT细胞,Tet1-3在通盘这个词妊娠时辰捏续抒发,而在GlyT细胞中仅在E14.5-E16.5之间权贵强抒发。除E10.5和E18.5区别出现Tet1抒发缺构怨Tet3抒发裁汰外,顶叶TGC在通盘这个词妊娠时辰的通盘TET中均抒发(图2B)。因此在E18.5时,顶叶TGC中5hmC水平裁汰与Tet3抒发下调效果一致。在东说念主胎盘的妊娠早期和晚期的STB细胞中检测到TET1-3卵白,但在妊娠8周(weeks of gestation,WG)时之外(TET1未检测到)。绒毛CTB细胞在妊娠早期和晚期TET1和TET2不抒发,TET3从10WG~足月时辰均抒发(图1B)。这些盘问效果标明TET1和TET2在STB分化中起着遑急作用。与CTB仅TET3抒发比拟,STB中5hmC的较高水平可能是三种TET在STB均抒发的效果。由于胎盘发育是一个高度动态的历程,因此盘问这些酶在妊娠中期胎盘中的抒发也很遑急。
对于TET酶的非催化作用,TET酶与一些表不雅遗传修饰因子(如组卵白修饰酶)互相作用,导致TET靶向基因的扼制。如有盘问标明TET1和EZH2之间的互相作用,它崇敬调控H3K27me3(一种在CTB细胞核中的组卵白秀雅)和其他组卵白修饰。
天然胎盘结构在不同细胞类型中存在互异,但在妊娠时辰的东说念主和小鼠柔润层细胞中不雅察到5mC和5hmC以及TET抒发。在妊娠末期可能会出现STB额外,因为在小鼠中TET不抒发,但在东说念主胎盘中TET抒发。通盘这个词妊娠时辰,在东说念主类中5hmC水平增多,而在小鼠中5hmC裁汰。天然,还需要更多的盘问来证实小鼠和东说念主类之间的互异,并阐述其在胎盘发育历程中在细胞调控和分化中的作用。
胎盘钤记基因中的DNA羟甲基化
1984年的细胞核移植本质初次形容了基因组思路,带有两组母系染色体(雌核发育(gynogenotes))或两组父系染色体(雄核发育(androgenote))的小鼠胚胎无法正常发育,前者线路为胚胎外组织(胎盘和卵黄囊)滋长迟粗造额外发育,后者线路为胚胎外组织过度滋长和胚胎自身发育不良。本质效果标明尽管遗传信息相通,但遗传的母系和父系染色体在功能上并不沟通。基因组思路是一种表不雅遗传机制,其中思路基因线路为单等位基因和亲本依赖性抒发,受DNA互异甲基化区域(DMR)调控。其中一些DMR充任思路调控区(imprinting control region,ICR)并调控思路基因簇抒发,思路基因簇包含几个相邻的母系思路和父系思路基因。因此,思路基因抒发失调可能会影响胎儿正常发育,并导致东说念主类疾病(如思路轮廓征)。
尽管DNA甲基化已在基因组思路布景下得到了夙昔盘问,但DNA羟甲基化在ICR调控中的作用及在思路基因抒发中的作用盘问较少。盘问标明,双Tet1/Tet2基因敲除小鼠在不同思路位点线路出DNA甲基化变化。Tet1和Tet2参与细胞交融模子中基因组钤记的灵验敲除,通过将5mC转念为5hmC参与小鼠原始生殖细胞的钤记敲除,标明5hmC在基因组钤记中的敲除、设立和督察中起着要道作用。然而对于TET缺失在胎盘特异性思路基因的作用机制尚不明晰。在TET1敲除小鼠精子父系抒发基因(如Peg10和Peg3)的几个DMR线路出高甲基化模式,在Tet1敲除胎盘中Peg3 DMR高甲基化,标明TET1在父系钤记敲除中起着要道作用。这导致了很多不同的表型,如胎盘、胎儿和诞生后的滋长颓势以赶早期胚胎致死性。
在东说念主的胎盘中,思路基因CDKN1C抒发与诞生体重和ICR调控CDKN1C抒发的5hmC富集之间存在磋议性。Hernandez-Mora等团队揭示了单等位基因5hmC在GNAS A/B DMR、H19基因体和几种胎盘特异性DMR(如MCCC1、RHOBTB3、SCIN、DNMT1和ACTL10)区域中的富集。一些在DMR中5hmC富集的基因与思路疾病磋议,因此对这些DMR中5hmC水平的盘问具有极端的磋议性。由于5hmC由先前甲基化DNA氧化产生,可能会出现仅在思路DMR甲基化等位基因上存在5hmC的情况。
宫内滋长受限(IUGR)中的DNA羟甲基化
宫内滋长受限(intrauterine growth restriction,IUGR)是一种复杂而常见的产科并发症,并与围产期发病率和死亡率权贵磋议,主要在于胎儿无法收尾其滋长潜能。基于超声检测忖度的胎儿长度,当低于胎龄第10百分位时,归类为IUGR。IUGR可能是母体、胎盘或胎儿的原因,其中养分和氧运说念输不及导致的胎盘功能不全是主要原因之一。
当今的盘问除了对IUGR胎盘中DNA甲基化的夙昔盘问外,还对IUGR胎盘中的DNA羟甲基化进行了分析(表1)。对单卵(monozygotic,MZ)双胞胎的盘问对于理会妊娠并发症和东说念主类疾病的表不雅遗传学基础具有遑急价值。在MZ双胞胎选拔性宫内滋长受限(sIUGR)胎盘中揭示了全基因组DNA羟甲基化裁汰。Zhang等团队揭示了sIUGR妊娠中较小比例的胎盘中线路出全基因组5hmC水平裁汰,同期还线路出ANGPTL4和HIF1A基因启动子中5hmC水平较低,ANGPTL4和HIF1A基因为低氧反映基因,在小比例sIUGR胎盘中下落,可能是因为TET酶需要氧气将5mC氧化成5hmC。动物模子实考把柄标明,子宫内缺氧导致胎儿滋长受限。此外癌症盘问标明,缺氧会影响TET酶的活性。对表不雅遗传调度因子在IUGR胎盘中的抒发盘问效果标明,TET3抒发以及通盘三种DNMT(DNMT1、DNMT3A和DNMT3B)上调,全基因组DNA甲基化或羟甲基化水平无变化。盘问阐述了DNA羟甲基化在不配合胎儿滋长以致胎盘磋议疾病中的潜在作用。
此外,还要推敲到环境条款可能会影响胎盘表不雅基因组并可能影响胎儿滋长。大鼠本质标明,在妊娠时辰赐与低卵白饮食或母体透露于三氯乙烯(一种夙昔存在的环境欺凌物)会导致5hmC水平失调,并与胎儿滋长受限磋议。在IUGR大鼠模子中,Wnt5启动子的Wnt2基因抒发和5hmC水平裁汰,标明养分枯竭(最终导致IUGR)可能篡改胎盘的表不雅遗传情景。同期,妊娠时辰母体透露于三氯乙烯对大鼠胎儿体重产生负面影响,并导致5hmC水温文Tet3抒发增多。
表1:胎盘DNA羟甲基化与妊娠并发症磋议的盘问,如宫内滋长受限、子痫前期和妊娠丢失
先兆子痫中的 DNA 羟甲基化
先兆子痫(preeclampsia,PE)是一种妊娠磋议疾病,影响约3-5%的妊妇,其特征是先前血压正常的女性在20WG后出现高血压和卵白尿,可能导致孕产妇、围产期和胎儿的死亡率和发病率,并与IUGR、胎盘早剥、早产和心血管疾病等始终并发症磋议。
一些表不雅遗传变化与PE磋议,如DNA甲基化和羟甲基化修饰。一项盘问娇傲H19启动子区域的高甲基化导致早发性先兆子痫胎盘的mRNA抒发裁汰,同期还线路出全基因组DNA甲基化水温文DNMT1甲基转念酶mRNA增多。近期一些盘问还分析了PE胎盘中DNA羟甲基化水平(表1):Liu等团队盘问效果标明了合座5hmC水平下落,与PE胎盘中TET1-3抒发下落一致;其他盘问也报说念与对照组胎盘比拟,PE胎盘中的全基因组5hmC水平较低,TET水平裁汰;Li等团队盘问效果揭示了PE胎盘中5hmC水温文TET2转录本的裁汰,这与使用TET2 shRNA敲低细胞模子时得到的效果一致,TET2下调导致5hmC水平裁汰、柔润层移动和侵袭减少,此外TET2下调扼制了MMP9抒发,MMP9是一种血管生成磋议卵白,不错通过维生素C(TET酶活性激活剂)来挽救;Ma等团队盘问标明,PE胎盘和低氧培养细胞中IGF1 mRNA和卵白抒发裁汰,低氧条款下培养的PE胎盘和柔润层细胞娇傲合座5hmC水平裁汰、合座5mC水平增多,5hmC裁汰与PE胎盘中TET抒发裁汰效果一致;其他盘问莫得标明PE胎盘和无并发症妊娠胎盘之间5hmC合座水平的互异,尽管PE胎盘中5mC水平较高;Zhu等团队盘问也莫得揭示PE和非PE胎盘之间合座DNA羟甲基化水温文合座DNA甲基化水平的互异,但检测到与403个基因磋议的714个DMR和与61个基因重迭的119个互异羟甲基化区域(DHMR)的位点特异性修饰;此外所盘问的区域在5mC和5hmC中莫得同期变化,凸起标明两种表不雅遗传秀雅可能在迟发性严重PE中具有寥寂作用。
大多数使用黑点思路(Dot blot)和IHC的盘问揭示了PE样品中5hmC合座水平较低(表1),hMeDIP-Seq天然形容了位点特异性互异,但并未检测到全基因组互异。尽管大多数盘问齐从母体分析了胎盘组织,但取样点也可能会阻难盘问效果。
妊娠丢失中的DNA羟甲基化
妊娠丢失(pregnancy loss,PL,俗称流产)是最常见的产科并发症之一,具有很强的临床和社会影响。盘问标明,早期妊娠丢失与较高的面孔发病率之间存在关联,如抑郁、惊骇和创伤后应激症。约10-15%临床证据的妊娠断绝于天然妊娠丢失。妊娠丢失可能是偶发性或复发性事件,约1-5%的病例为复发性妊娠丢失,这种临床并发症具有异质性病因,由几种已知的危境身分引起,如子宫剖解颓势、免疫、感染、环境、内分泌、血栓造成和遗传身分,其中遗传身分被合计是导致妊娠丢失的主要原因,胎儿染色体额外占病例的50-60%。然而,极端大比例的复发性妊娠丢失具有正常的细胞核型和特发性。
由于胎盘在母体-胎儿交换和内分泌功能中阐述作用,胎盘发育和功能零乱可能对胎儿产生负面影响,最终导致妊娠丢失。越来越多的把柄标明,表不雅遗传功能结巴可能影响正常妊娠的褂讪性,并导致妊娠期并发症(如IUGR和PE)。但TET酶功能失妥洽5hmC额外水平是否与可能导致妊娠丢失的额外胎盘功能磋议仍不明晰(表1)。
Wu等团队对天然早期妊娠丢失(EPL)和正常妊娠(医学断绝妊娠)绒毛膜绒毛中TET和5hmC水平抒发进行盘问,盘问效果标明,EPL组绒毛中TET1、TET2和TET3抒发低于正常妊娠组,6~8WG时辰EPL组5hmC水平较低,但仅在6WG抒发。此外TET和5hmC在正常绒毛中的抒发随胎龄增多而裁汰。妊娠中期天然妊娠丢失的东说念主胎盘中TETs抒发和5hmC水瓜分析效果揭示了特发性(idiopathic)妊娠丢失胎盘组织的TET失调。然而在特发性病例胎盘样本12-24WG时辰的TET2和TET3过抒发。尽管TET2和TET3抒发在特发性天然妊娠丢失的胎盘中上调,但合座DNA羟甲基化水平无统计学预见上的权贵变化。在改日,分析特发性妊娠丢失的胎盘DNA特定基因组区域的5hmC水平很有必要(如5hmC富集的思路基因调控区域)。
论断
胎盘对于复古妊娠期的胎儿发育至关遑急。尽管单细胞RNA测序等新时间正在出现,并揭示了东说念主类柔润层细胞的特异性表征,但盘问东说念主类胎盘的复杂性和胎盘发育的动态变化仍具有挑战性。胎盘发育额外是不同妊娠并发症的基础,因此沉静理会调控柔润层细胞分化的分子机制有助于提升磋议疾病的会诊和维持。跟着对表不雅遗传学机制的不停理会深远,尤其是DNA羟甲基化在正常和复杂妊娠的东说念主类胎盘发育历程中可能阐述的作用,DNA羟甲基化可能是功能性胎盘发育的遑急表不雅遗传机制。就这少许而言,胎盘盘问具有十分遑急的预见。
多项盘问复古TET和5hmC在胎盘发育中的作用,天然还需要在体外和动物模子中进行功能盘问,尤其是在胎盘中下调TET,以匡助阐述这些表不雅遗传修饰因子在胎盘细胞分化和功能中的作用。应进一步盘问5hmC和TET在正常和病感性胎盘、特异性疾病(如IUGR、PE和妊娠丢失等)以及特异性基因组区域(调控基因区域、TSS或CpG岛)中的抒发。这些盘问将有助于增多学问,并可能有助于防护或更好地处分某些产科并发症。
参考文件:
Vasconcelos S, Caniçais C, Chuva de Sousa Lopes SM性交, Marques CJ, Dória S. The role of DNA hydroxymethylation and TET enzymes in placental development and pregnancy outcome. Clin Epigenetics. 2023 Apr 25;15(1):66.