2024年7月30日，中國科學(xué)院動物研究所在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell發(fā)表一項重要研究成果，題為：Acetyl-CoA metabolism maintains histone acetylation for syncytialization of human placental trophoblast stem cells。該研究通過表觀組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組和非靶向代謝組學(xué)分析研究了人胎盤中原發(fā)性CTBs和hTSCs向STBs分化過程中葡萄糖相關(guān)的代謝組學(xué)特征，并揭示了CTBs和hTSCs從高糖酵解到STBs基礎(chǔ)糖酵解水平的轉(zhuǎn)變。
文章標(biāo)題：Acetyl-CoA metabolism maintains histone acetylation for syncytialization of human placental trophoblast stem cells
期刊名稱：Cell Stem Cell
影響因子：19.8
合作單位：中國科學(xué)院動物研究所
研究對象：人類妊娠早期胎盤樣本和人類滋養(yǎng)層干細(xì)胞(hTSCs)
研究方法：轉(zhuǎn)錄組、表觀組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)等
百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組和非靶向代謝組檢測和分析服務(wù)。
研究背景
在妊娠期間，胎盤是連接母體和胎兒的重要瞬時器官，不斷向胎兒輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物，維持胎兒的正常生長發(fā)育。胎盤發(fā)育是一個復(fù)雜的過程，包括胚泡期單層胚滋養(yǎng)外胚層(TE)向致密、多核、多細(xì)胞和多層器官的轉(zhuǎn)變。在懷孕期間，胎盤和胎兒的營養(yǎng)分配對胎兒和母親的健康至關(guān)重要。然而，胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞中營養(yǎng)物質(zhì)代謝和分配的調(diào)控機制尚不清楚。
實驗材料
從北京大學(xué)第三醫(yī)院(中國北京)治療性終止健康妊娠的6-8周的人正常絨毛組織收集。術(shù)后1小時內(nèi)，將組織浸泡在冰凍的DMEM/F12培養(yǎng)基中，進行原代細(xì)胞分離或組織固定。從新鮮人絨毛組織中分離到原代滋養(yǎng)細(xì)胞(CTBs和STBs)。將人絨毛組織倒搖3分鐘，通過100mm和38mm篩子，收集38mm篩子上殘留的STB。將殘留在100毫米屏幕上的絨毛組織浸泡在PBS中，修剪成2-3毫米的組織。然后，用0.25%的胰蛋白酶和DNase消化絨毛組織，在4℃，并通過75毫米篩子。離心收集細(xì)胞，在1.25%和2.5%牛血清白蛋白(BSA)中沉淀得到細(xì)胞滋養(yǎng)層細(xì)胞。
研究結(jié)果
1.組織學(xué)分析——糖酵解酶水平在合胞滋養(yǎng)細(xì)胞中顯著降低
妊娠期間，STB是一種重要的胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞，可介導(dǎo)代謝物交換，分泌多種激素，如人絨毛膜促性腺激素(hCG)、孕酮等。為了研究滋養(yǎng)細(xì)胞合胞過程中原代CTBs和STBs之間發(fā)生的代謝變化，該研究挖掘了之前人類妊娠早期胎盤的單細(xì)胞RNA測序(RNA-seq)數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在RNA水平上，原代CTBs中糖代謝和TCA循環(huán)的多個關(guān)鍵酶的表達高于STB。
通過免疫組織化學(xué)和免疫熒光染色在孕早期人類胎盤絨毛組織中，證實了許多關(guān)鍵的糖酵解酶，包括己糖激酶2 (HK2)、磷酸果糖激酶、血小板型(PFKP)、磷酸果糖激酶、肝型(PFKL)和乳酸脫氫酶A (LDHA)，確實在CTBs中比體內(nèi)STBs更廣泛地表達(圖1A)。通過實時qPCR和免疫印跡(圖1B)繪制關(guān)鍵代謝酶的變化。結(jié)果顯示，糖酵解酶，包括己糖激酶1 (HK1)、HK2、PFKP、PFKL、丙酮酸激酶M1 (PKM1)、LDHA和乳酸脫氫酶B (LDHB)， CTBs均顯著高于STBs(圖1B和1C)。線粒體生物發(fā)生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子PGC1a和細(xì)胞色素氧化酶(COX) IV在STBs中高表達，而糖原代謝酶肝糖原磷酸化酶(PYGL)和糖原1 (GYG1)在CTBs中高于STBs(圖1C)，與糖原的周期性酸-希夫(PAS)染色一致(圖1A)。在主要調(diào)控糖酵解酶的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路中，CTBs中蛋白激酶B (AKT)、核糖體蛋白S6 (S6)和真核翻譯起始因子4E (4EBP1)的磷酸化水平顯著高于STBs(圖1C左)。這些結(jié)果表明，糖酵解和糖原溶解的糖代謝途徑在合胞滋養(yǎng)細(xì)胞中顯著減少，而OxPhos水平基本保持不變。
圖1-人類原始CTBs和STBs的代謝狀態(tài)
2.代謝組學(xué)分析——滋養(yǎng)細(xì)胞合胞化伴隨著代謝的重構(gòu)
為了更詳細(xì)地驗證CTBs和STBs之間的代謝差異，對妊娠早期胎盤中的原代CTBs和STBs進行了代謝組學(xué)分析(圖2A)。相關(guān)熱圖、主成分分析(PCA)圖和代謝物豐度熱圖顯示，CTBs和STBs之間的代謝物存在顯著差異。CTBs中葡萄糖代謝相關(guān)代謝物豐度高，包括3-磷酸甘油酸(3-PG)、乳酸、丙酮酸、蘋果酸、a-酮戊二酸等。STBs中富含脂肪酸代謝和激素代謝相關(guān)產(chǎn)物，包括雌酮、膽固醇、亞油酸等(圖2B)。CTBs和STBs的前20位代謝物也有顯著差異。代謝物MSEA集富集分析(圖2C)和KEGG代謝物分析顯示CTBs主要富集于葡萄糖代謝和氨基酸代謝，包括Warburg效應(yīng)、色氨酸、甘氨酸和絲氨酸代謝、糖酵解等。相比之下，STBs主要富集脂肪酸代謝和類固醇激素合成相關(guān)通路，包括α -亞麻酸和亞油酸代謝、雌酮代謝、花生四烯酸代謝、類固醇生物合成等。
此外，將代謝組學(xué)結(jié)果與葡萄糖代謝的蛋白質(zhì)分析結(jié)果聯(lián)合分析(圖2D)。結(jié)果表明，CTBs和STBs代謝產(chǎn)物的變化與代謝酶蛋白的變化一致。CTBs的糖酵解代謝物、3-PG、丙酮酸和乳酸明顯高于STBs(圖2D)。CTBs中TCA循環(huán)中的檸檬酸、α-酮戊二酸和蘋果酸明顯高于STBs(圖2D)。相比之下，STBs體內(nèi)類固醇激素代謝的相關(guān)關(guān)鍵代謝物較高，這與STBs合成激素的特點相一致。綜上所述，CTBs和STBs之間的代謝程序存在明顯差異。在高度增殖和未分化的CTBs中，葡萄糖代謝和氨基酸代謝更為活躍，而在有絲分裂后和分化的STBs中，脂肪酸代謝和類固醇激素代謝更為活躍。
圖2-人原代CTBs和STBs的非靶向代謝組學(xué)分析
3.代謝組分析——葡萄糖代謝的基礎(chǔ)水平是滋養(yǎng)細(xì)胞合胞的必要條件
根據(jù)代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)分析結(jié)果，葡萄糖代謝水平在合胞后急劇下降到基礎(chǔ)水平。許多研究表明，葡萄糖代謝的變化對決定干細(xì)胞的命運和分化很重要，因此，研究推測糖代謝與滋養(yǎng)細(xì)胞合胞之間存在重要聯(lián)系。為了在體外微擾實驗中模擬滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞過程，該研究使用了hTSC培養(yǎng)和融合分化系統(tǒng)。再次檢測hTSCs在中誘導(dǎo)合胞前和合胞過程中相關(guān)代謝酶的蛋白和RNA水平。糖酵解的結(jié)論與原代CTBs和STBs的結(jié)果基本一致。
為了探索葡萄糖代謝對滋養(yǎng)細(xì)胞合胞過程的功能影響，該研究分別在未分化的hTSCs(在滋養(yǎng)細(xì)胞干細(xì)胞(TS)培養(yǎng)基中培養(yǎng)4天，TS- d4)和分化的STB(在STB培養(yǎng)基中培養(yǎng)4天，STB- d4)中使用HK抑制劑2-脫氧葡萄糖(2-DG)和LDH抑制劑oxamate抑制糖酵解的上游和下游速率限制步驟(圖3A)。由于糖代謝降低與STB分化相關(guān)(圖1、2)，研究者最初假設(shè)糖酵解抑制應(yīng)該促進合胞化。但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未分化的hTSCs相比，僅保留基礎(chǔ)糖酵解水平的合胞hTSCs對糖酵解的減少比較敏感。
圖3-基礎(chǔ)糖酵解對于人類TSCs的合胞轉(zhuǎn)化至關(guān)重要
4.代謝組分析——糖酵解代謝產(chǎn)物的較佳水平促進滋養(yǎng)細(xì)胞合胞
接下來，該研究使用糖酵解的關(guān)鍵代謝物，包括葡萄糖、丙酮酸和醋酸酯(用于補充細(xì)胞內(nèi)乙酰輔酶A)，來探索糖酵解代謝物對人滋養(yǎng)細(xì)胞合胞的影響。結(jié)果表明，隨著葡萄糖濃度的增加，從5到18 mM，STB-D4細(xì)胞中HCGB以及SDC1、ERVFRD1、ERVW1、GCM1、PSG4和CYP19A1的表達逐漸增強，滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞化程度逐漸增強(圖3D)。丙酮酸處理在未分化的hTSCs和正在合胞的hTSCs中導(dǎo)致了類似的反應(yīng)，即一定濃度范圍內(nèi)（10 mM）的代謝物增加了滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞 (圖3E)。同樣，在一定濃度范圍內(nèi)，乙酸也顯著促進滋養(yǎng)細(xì)胞合胞(圖3F)，在超高濃度下，HCGB、GCM1、PSG4和CYP19A1被顯著抑制(圖3)。特別指出，糖酵解藥物和中間體對HTSCs和STBs的合胞有特異性作用，但對未分化的htsc沒有特異性作用。因此，涉及STB特異性信號傳導(dǎo)，并且調(diào)節(jié)滋養(yǎng)層合胞化可能需要較佳水平的基礎(chǔ)糖酵解物質(zhì)。
圖4-糖酵解乙酰輔酶A是TSCs合胞所需的關(guān)鍵代謝物
5.代謝組分析——乙酰化的代謝調(diào)節(jié)對合胞作用至關(guān)重要
實驗表明，糖酵解產(chǎn)物顯著抑制hTSCs的合胞，而最佳水平的乙酸促進hTSCs的合胞。為了反向確定最關(guān)鍵的糖酵解代謝物，該研究探索了最下游的糖酵解代謝物乙酰輔酶A(由乙酸補充)是否可以挽救糖酵解抑制對合胞的影響。結(jié)果顯示，在糖酵解抑制的情況下，乙酸能顯著恢復(fù)STB-D4中HCGB和SDC1的表達水平(圖4A-4C)。融合指數(shù)結(jié)果證實了合胞恢復(fù)以劑量依賴的方式(圖4D和4E)。然而，當(dāng)乙酸濃度過度增加到50 mM時，STBs細(xì)胞形態(tài)發(fā)生異常，引發(fā)細(xì)胞死亡，HCGB和SDC1基因表達無法檢測(圖4A)。因此使用10mM醋酸鹽用于所有其他實驗。實驗顯示，低濃度20 mM的草酸鹽對活死染色、線粒體膜電位、總蛋白、ADP/ATP比率和NAD+/NADH比率的影響不顯著或輕微，但通過靶向LC-MS/MS檢測，乙酰輔酶A顯著降低。10 mM醋酸鹽可使其乙酰輔酶A水平恢復(fù)正常。這些結(jié)果表明，乙酰輔酶A可能對滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞作用很重要。
有報道稱，由于乙酰轉(zhuǎn)移酶具有較高的Km，細(xì)胞內(nèi)乙酰輔酶a可以作為蛋白質(zhì)乙酰化的底物并直接調(diào)控蛋白質(zhì)乙酰化，從而直接影響細(xì)胞的命運。例如，組蛋白乙酰化的代謝調(diào)節(jié)對染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。為了廣泛調(diào)查蛋白質(zhì)乙酰化的變化，該研究對乙酰賴氨酸進行了免疫印跡特異性檢測。結(jié)果顯示，未分化hTSCs的乙酰賴氨酸水平對草酸鹽相對不敏感，對乙酸補充也不敏感，除了在- 55 kDa處可能代表乙酰微管蛋白的條帶(圖4F、4G)。相反，分化STBs的乙酰賴氨酸水平被草酸鹽顯著降低，并被乙酸鹽顯著恢復(fù)(圖4F和4G)。特別是，組蛋白(H3和H4, 10-15 kDa)乙酰化對乙酸表現(xiàn)出明顯的劑量依賴性反應(yīng)。因此，該研究檢測了乙酸鹽和草酸鹽處理的TS-D4和STB-D4細(xì)胞中乙酰基- h3和乙酰基- h4k16的水平。結(jié)果顯示，草酸鹽對未分化hTSCs中H3和H4K16的乙酰化水平影響不大，但顯著抑制STB-D4中H3和H4K16的乙酰化水平(圖4H、4I)。在草酸處理的細(xì)胞中分別添加5和10 mM乙酸時，H4K16乙酰化水平在劑量依賴性反應(yīng)中表現(xiàn)出最大的梯度，而H3乙酰化水平，包括H3K9/18/27乙酰化，在劑量依賴性反應(yīng)中表現(xiàn)出較平緩的梯度(圖4H、4I和SGM – s5p)。
綜上所述，該研究表明，適當(dāng)?shù)囊宜釢舛瓤梢跃徑馓墙徒庖种茖习囊种?/strong>。草酸鹽的糖酵解抑制降低了STBs糖酵解乙酰輔酶A的基礎(chǔ)產(chǎn)生，從而降低了滋養(yǎng)細(xì)胞合胞過程中組蛋白乙酰化的水平。因此，適當(dāng)補充乙酸可以恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)乙酰輔酶A的水平，從而恢復(fù)正常的蛋白質(zhì)乙酰化，特別是組蛋白H3和H4乙酰化，并恢復(fù)正常的滋養(yǎng)細(xì)胞合胞(圖4J)。因此，糖酵解乙酰輔酶A的基礎(chǔ)水平對于調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化和hTSC合胞是至關(guān)重要的。
圖5-RNA-seq顯示糖酵解衍生的乙酰輔酶A是促進滋養(yǎng)細(xì)胞合胞程序所必需的，在合胞過程中，低水平的糖酵解衍生的乙酰輔酶A會觸發(fā)滋養(yǎng)細(xì)胞的代謝和炎癥應(yīng)激反應(yīng)
6.轉(zhuǎn)錄組分析——RNA-seq顯示糖酵解乙酰輔酶A代謝是促進滋養(yǎng)細(xì)胞合胞程序所必需的
為了進一步表征乙酸如何在滋養(yǎng)細(xì)胞合胞過程中恢復(fù)糖酵解抑制的作用，作者對經(jīng)草酸和乙酸處理的TS-D4和STB-D4細(xì)胞進行了RNA測序(N = 8個樣本)。相關(guān)熱圖分析和主成分分析顯示，經(jīng)草酸和乙酸處理的未分化hTSCs的基因表達變化無明顯變化(圖5A)。然而，對于正常的STB-D4 (STB_c)，草酸處理(STB_ox)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄組發(fā)生劇烈變化，而5和10 mM乙酸處理(STB_oa5, STB_oa10)逐漸使轉(zhuǎn)錄組恢復(fù)正常(圖5A)。基因集富集分析(GSEA)進一步證實未分化的hTSCs被富集用于糖酵解，而分化的STBs則被富集用于類固醇激素基因(圖5B)。這些轉(zhuǎn)錄組結(jié)果再次強調(diào)了未分化的hTSCs對草酸或乙酸鹽不敏感，而分化的STBs對草酸抑制和乙酸鹽拯救高度敏感。
根據(jù)翻轉(zhuǎn)圖(圖5C)，被草酸 (STB_ox)特異性下調(diào)但被乙酸(STB_oa5或STB_oa10)逆轉(zhuǎn)的基因表現(xiàn)出強烈的劑量依賴性。合胞化相關(guān)基因，包括SDC1、CGB同源物、ERVW1、ERVFRD1和GCM1，在草酸抑制的STB-D4中以劑量依賴的方式被5和10 mM乙酸部分恢復(fù)(圖5D)。
火山圖顯示，在STB_ox中，CGB同源基因、ERVFRD1、ERVW1、SDC1、CYP17A1等合胞程序基因顯著降低，而JUN、腫瘤壞死因子(TNF)、FAS、TP53等炎癥相關(guān)基因顯著上調(diào)。相反，補充乙酸導(dǎo)致SDC1、CGB同源物、ESRRB、CYP17A1、PSG11等合胞程序基因上調(diào)，表明STBs功能逐漸恢復(fù)。
接下來，研究者使用短時間序列表達挖掘(STEM)技術(shù)分析具有相同趨勢的基因簇。圖中顯示了胎盤cAMP信號、激素代謝和ERK/MAPK通路中一些已知的基因(圖5E)。
此外，GSEA進一步顯示，與未分化的HTSC (TS_c)相比，STB_c中特異性富集了糖皮質(zhì)激素、激素生物合成、抗菌肽和胺源性激素等四個基因集(圖5F)。此外，與單獨處理STB_ox的STB_c和STB_d4 (STB_oa5和STB_oa10)相比，這四個基因組在同時處理的STB_c和STB_d4中也顯著富集。
綜上所述，這些結(jié)果表明糖酵解衍生的乙酰輔酶A對于滋養(yǎng)細(xì)胞合胞程序和STB核心功能的適當(dāng)激活是必要的。與hTSC程序相比，研究發(fā)現(xiàn)整個STBs分化程序?qū)μ墙徒庖阴］o酶A代謝異常敏感。
7.轉(zhuǎn)錄組分析——滋養(yǎng)細(xì)胞感知葡萄糖衍生的乙酰輔酶A的缺乏，從而在合胞過程中觸發(fā)代謝和炎癥應(yīng)激反應(yīng)
該研究將被乙酸拯救并下調(diào)的基因定義為“下調(diào)”。該集合包括三個集群，U17(145個基因)、U20(614個基因)和U18(288個基因)。這些基因都與細(xì)胞損傷和炎癥應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。其中許多是眾所周知的抗氧化、自噬、線粒體、DNA損傷和NF-kB特征中的基因(圖5G)。
GSEA進一步顯示，與STB_c相比，未分化的TS_c特異性地富集了hippop – yap /Taz-TEAD特征(圖5H)。這些結(jié)果表明，草酸阻斷了STB的合胞，而這種分化阻斷被乙酸修復(fù)。此外，與正常STB_c和經(jīng)草酸和乙酸(STB_oa5和STB_oa10)處理的STB-D4相比，涉及DNA損傷、白素-6 (IL-6)信號、炎癥反應(yīng)和TNF信號的四種GSEA特征均在STB_ox中特異性富集(圖5I)。
綜上所述，在滋養(yǎng)細(xì)胞合胞過程中，葡萄糖衍生的乙酰輔酶A的基礎(chǔ)水平是防止代謝應(yīng)激和炎癥應(yīng)激反應(yīng)所必需的。研究發(fā)現(xiàn)STBs在分化和合胞過程中對糖酵解乙酰輔酶A應(yīng)激高度敏感，并引發(fā)炎癥反應(yīng)。
8.表觀組分析——組蛋白H3K9/18/27和H4K16乙酰化對葡萄糖的乙酰化調(diào)控敏感，直接調(diào)控合胞化和代謝基因
鑒于滋養(yǎng)細(xì)胞可以感知葡萄糖衍生的乙酰輔酶A的缺乏，從而終止合胞程序并觸發(fā)代謝應(yīng)激誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)信號，研究者研究了組蛋白乙酰化是否可能是這種現(xiàn)象背后的機制之一。該研究使用靶下切割和標(biāo)記(CUT&Tag)技術(shù)，對TSCs、STB-D1、STB-D4、STB-D4ox和STB-D4-oa10樣品和acetyl-H3K9、acetyl-H3K18、acetyl-H3K27和acetyl-H4K16抗體的數(shù)據(jù)顯示，這四種組蛋白乙酰化修飾在合胞過程中表現(xiàn)出明顯的變化。
此外，對于每個組蛋白修飾，在TSCs, STB-D1和STB-D4的基因啟動子區(qū)域進行了Venn交叉分析。僅在STB組中發(fā)現(xiàn)的基因(TS組中沒有)被定義為STBUP，表明這些基因啟動子在合胞過程中具有相關(guān)的組蛋白乙酰化修飾(圖6A-6D)。同樣，對STB-D4、STB-D4-ox和STB-D4-oa10進行了Venn交叉分析。僅在STB-D4和STB-D4-oa10中發(fā)現(xiàn)的基因被定義為STBres，而在STB-D4-ox中沒有發(fā)現(xiàn)，這表明這些基因啟動子具有由糖酵解乙酰輔酶A代謝調(diào)節(jié)的組蛋白修飾(圖6A-6D)。所有四種組蛋白乙酰化的STBUP組的交集被定義為STBUP-all。同樣，所有四種組蛋白乙酰化的STBres基團的交集(圖6E)被定義為STBres-all。
為了研究STBUP-al中哪些基因?qū)习陵P(guān)重要，該研究交叉了STBUP-all和STBres-all數(shù)據(jù)集。確定了2834個基因位點，其中TSS上的這四個組蛋白乙酰化位點都被乙酸拯救并與合胞有關(guān)(圖6E)，包括眾所周知的合胞標(biāo)記SDC1、CGB和ERVFRD1(圖6I)。重要的是，已知CGB參與激素合成/分泌，與TSCs和STB-D1相比，在STB-D4中，CGB在其TSS啟動子區(qū)域表現(xiàn)出顯著的乙酰- h3k27(圖6I)。GO和KEGG通路分析顯示，這些基因主要參與有絲分裂控制、合胞起始和STB功能，包括MAPK通路、cAMP通路、胎盤發(fā)育、激素合成/分泌、糖、氨基酸和脂肪酸運輸(圖6G、6J-6L)。其中，已知CYP19A1參與激素合成/分泌，在STB-D4的TSS啟動子區(qū)域顯示顯著的乙酰- h3k27(圖6J)。胎盤發(fā)育的另一個關(guān)鍵基因GCM1在STB-D1和STB-D4的TSS啟動子區(qū)域均顯示出顯著的乙酰- h3k9(圖6K)。cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白1 (CREB1)參與“cAMP應(yīng)答元件結(jié)合”，在STB-D1和STB-D4的TSS啟動子區(qū)域表現(xiàn)出顯著的乙酰- h4k16(圖6L)。重要的是，草酸處理明顯導(dǎo)致所有這些基因的TSS啟動子區(qū)域組蛋白乙酰化顯著降低，而乙酸補充部分恢復(fù)了組蛋白乙酰化水平(圖6I-6L)。
為了探究被乙酸拯救的組蛋白乙酰化是否也導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄拯救，該研究比較了來自CUT&Tag的STBres-all集與來自RNA-seq的拯救基因集(包括U5、U7和U8，共660個基因)。分析結(jié)果顯示，這兩個基因集共有323個基因(圖6F)，即表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄獲救。對這些表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄獲救的基因進行GO和KEGG通路分析的結(jié)果與RNA-seq分析的結(jié)果相似，在cAMP和MAPK信號、激素合成/分泌以及其他合胞途徑中的跨膜物質(zhì)運輸中都有顯著的富集(圖6H、6M、6N)。
值得注意的是，在“活性跨膜轉(zhuǎn)運體活性”途徑中，草酸處理后，SLC30A3在其TSS啟動子區(qū)域乙酰基h3k18顯著降低，而乙酸補充能夠部分恢復(fù)其乙酰基h3k18(圖6M)。在“類固醇激素應(yīng)答”途徑中，經(jīng)草酸鹽處理后，ESRRB在其TSS啟動子區(qū)域乙酰h4k16顯著降低，部分被醋酸鹽挽救(圖6N)。
綜上所述，由乙酰輔酶A調(diào)節(jié)的組蛋白乙酰化對于滋養(yǎng)細(xì)胞合胞程序和STB核心功能的適當(dāng)激活是必要的。與TS細(xì)胞對草酸和乙酸不敏感相比，研究發(fā)現(xiàn)STB分化程序?qū)σ阴］o酶A代謝異常敏感。
圖6-乙酰基- h3k9、乙酰基- h3k18、乙酰基- h3k27和乙酰基- h4k16在TSC合胞過程中的動態(tài)變化
9.轉(zhuǎn)錄組和表觀組分析——體內(nèi)短暫的糖酵解乙酰輔酶a缺乏會永久性地?fù)p害滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞作用
人TSCs可以注射到免疫缺陷的NOD-SCID小鼠體內(nèi)，以評估其體內(nèi)分化潛力。因此，該研究使用這種異種移植模型來探索糖酵解乙酰輔酶A短暫缺乏對人滋養(yǎng)細(xì)胞體內(nèi)合胞的永久表觀遺傳影響。
小鼠皮下注射對照hTSCs (TS-ctrl)、氨基甲酸酯處理hTSCs (TS-ox)和氨基甲酸酯和醋酸酯短暫處理hTSCs (TS-oa10)。隨意喂養(yǎng)NOD-SCID小鼠生長7天后，檢測血清hCG，并對移植的滋養(yǎng)細(xì)胞進行免疫熒光和免疫組織化學(xué)染色，以確定體內(nèi)滋養(yǎng)細(xì)胞的合胞程度(圖7A)。然而，結(jié)果顯示STBs分泌到TS-ox小鼠血清中的hCG明顯低于TS – control小鼠(圖7B)。這與靶向數(shù)據(jù)一致，顯示在STB分化的第1天，乙酰輔酶A已經(jīng)開始上升，轉(zhuǎn)錄和表觀基因組數(shù)據(jù)顯示，STB分化的許多標(biāo)記已經(jīng)在第1天開始上升。因此，滋養(yǎng)層細(xì)胞在分化24小時內(nèi)就已經(jīng)進入了STB的命運，在滋養(yǎng)層分化的這個時間點干擾糖酵解代謝可能對細(xì)胞命運產(chǎn)生不可逆的影響，但不影響細(xì)胞活力。
為了證明這一點，該研究對每個滋養(yǎng)細(xì)胞移植物進行組織染色。用KRT7和CDH1鑒定滋養(yǎng)細(xì)胞，用SDC1和b-hCG鑒定哪些細(xì)胞是STB。結(jié)果顯示，TS- control小鼠的滋養(yǎng)細(xì)胞移植物在體內(nèi)能夠正常分化并形成多核STB(圖7C、7D)。然而，TS-ox小鼠體內(nèi)形成的多核STB較少，盡管草酸處理的細(xì)胞仍然可以存活并在免疫缺陷小鼠中生長形成大的KRT7+/CDH1+移植物(圖7E, 7F)。
在TS-oa10小鼠中，多核STB的形成與TS – control小鼠相似，表明短暫的乙酸處理恢復(fù)了hTSCs的合胞能力(圖7G、7H)。此外，該研究計算了STB面積與移植物總面積的比值，結(jié)果表明，草酸處理的hTSCs在體內(nèi)的合胞能力永久性降低。與TS -ox組相比，TS-oa10組經(jīng)短暫乙酸處理后，體內(nèi)STBs面積完全恢復(fù)(圖7I和7J)。同時，與TS-ox組相比，STBs向TS-oa10小鼠血清中分泌的hCG也顯著增加(圖7B)。
RNA-seq結(jié)果表明，糖酵解乙酰輔酶A缺乏引起體外STBs的促炎應(yīng)激反應(yīng)。因此，該研究檢查了它們在體內(nèi)的炎癥狀態(tài)。結(jié)果顯示，與TS – control小鼠和TS-oa10小鼠相比，TS-ox小鼠滋養(yǎng)細(xì)胞移植物周圍有更多的自然殺傷細(xì)胞(NK)細(xì)胞(天然細(xì)胞毒性觸發(fā)受體1,NCR1)和巨噬細(xì)胞(F4/80, CD163)募集。這些結(jié)果表明，由短暫的糖酵解缺陷引起的異常的促炎滋養(yǎng)細(xì)胞命運可以通過醋酸處理永久地恢復(fù)。
鑒于人滋養(yǎng)細(xì)胞移植物在體內(nèi)不再暴露于草酸或乙酸，研究結(jié)果表明，由表觀遺傳決定的STBs分化潛力可能會因糖酵解乙酰輔酶A代謝的短暫缺乏而永久中斷，由此產(chǎn)生的異常的促炎滋養(yǎng)細(xì)胞可以通過短暫的醋酸補充而在功能上得到恢復(fù)。
研究總結(jié)
該研究通過代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和表觀組學(xué)等技術(shù)，使用人類妊娠早期胎盤樣本和人類滋養(yǎng)層干細(xì)胞(hTSCs)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖代謝在hTSCs和細(xì)胞滋養(yǎng)層細(xì)胞中高度活躍，但在合胞過程中，葡萄糖代謝降低到基礎(chǔ)水平，仍然是補充乙酰輔酶A和分化潛力所必需的。補充乙酸可以通過補充乙酰輔酶A和維持組蛋白乙酰化來挽救糖酵解缺乏的合胞滋養(yǎng)細(xì)胞融合，從而挽救合胞基因的激活。即使是短暫的糖酵解缺乏也會永久性地抑制分化潛能和促進炎癥，在體內(nèi)也可以通過短暫補充乙酸永久地挽救。這些結(jié)果表明，hTSCs在合胞過程中僅保留基礎(chǔ)糖酵解乙酰輔酶A代謝，通過營養(yǎng)反應(yīng)性組蛋白乙酰化調(diào)節(jié)細(xì)胞命運，這對我們理解胎盤和胎兒營養(yǎng)之間的平衡具有重要意義。
1. 當(dāng)hTSCs和CTBs分化為STBs時，它們的糖酵解通量降低。
2. 分化的HTSC保留基礎(chǔ)糖酵解，對糖酵解缺乏變得敏感。
3. 分化的hTSCs通過組蛋白乙酰化在合胞過程中感知乙酰輔酶A。
4.短暫的糖酵解應(yīng)激永久性地降低hTSCs的分化潛能。
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