2024年7月30日，中國科學院動物研究所在國際學術(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、轉(zhuǎn)錄組和非靶向代謝組學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)層干細胞(hTSCs)

研究方法：轉(zhuǎn)錄組、表觀組學和非靶向代謝組學等

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。離心收集細胞，在1.25%和2.5%牛血清白蛋白(BSA)中沉淀得到細胞滋養(yǎng)層細胞。

研究結(jié)果

1.組織學分析——糖酵解酶水平在合胞滋養(yǎng)細胞中顯著降低

妊娠期間，STB是一種重要的胎盤滋養(yǎng)細胞，可介導代謝物交換，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)細胞中顯著減少，而OxPhos水平基本保持不變。

2.代謝組學分析——滋養(yǎng)細胞合胞化伴隨著代謝的重構(gòu)

為了更詳細地驗證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。

3.代謝組分析——葡萄糖代謝的基礎(chǔ)水平是滋養(yǎng)細胞合胞的必要條件

根據(jù)代謝組學和蛋白組學分析結(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胞的命運和分化很重要，因此，研究推測糖代謝與滋養(yǎng)細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)細胞干細胞(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。

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(用于補充細胞內(nèi)乙酰輔酶A)，來探索糖酵解代謝物對人滋養(yǎng)細胞合胞的影響。結(jié)果表明，隨著葡萄糖濃度的增加，從5到18 mM，STB-D4細胞中HCGB以及SDC1、ERVFRD1、ERVW1、GCM1、PSG4和CYP19A1的表達逐漸增強，滋養(yǎng)細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，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)。

5.代謝組分析——乙?；拇x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)果證實了合胞恢復以劑量依賴的方式(圖4D和4E)。然而，當乙酸濃度過度增加到50 mM時，STBs細胞形態(tài)發(fā)生異常，引發(fā)細胞死亡，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水平恢復正常。這些結(jié)果表明，乙酰輔酶A可能對滋養(yǎng)細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，細胞內(nèi)乙酰輔酶a可以作為蛋白質(zhì)乙?；牡孜锊⒅苯诱{(diào)控蛋白質(zhì)乙?；?，從而直接影響細胞的命運。例如，組蛋白乙?；拇x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?；淖兓?，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(圖4F和4G)。特別是，組蛋白(H3和H4, 10-15 kDa)乙?；瘜σ宜岜憩F(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細胞中乙?；? h3和乙?；? h4k16的水平。結(jié)果顯示，草酸鹽對未分化hTSCs中H3和H4K16的乙?；接绊懖淮?，但顯著抑制STB-D4中H3和H4K16的乙?；?圖4H、4I)。在草酸處理的細胞中分別添加5和10 mM乙酸時，H4K16乙?；皆趧┝恳蕾囆苑磻?yīng)中表現(xiàn)出最大的梯度，而H3乙酰化水平，包括H3K9/18/27乙?；趧┝恳蕾囆苑磻?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?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)細胞合胞過程中組蛋白乙?；乃?。因此，適當補充乙酸可以恢復細胞內(nèi)乙酰輔酶A的水平，從而恢復正常的蛋白質(zhì)乙?；?，特別是組蛋白H3和H4乙?；⒒謴驼５淖甜B(yǎng)細胞合胞(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?；蚳TSC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)細胞合胞過程中恢復糖酵解抑制的作用，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)錄組恢復正常(圖5A)?；蚣患治?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(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。

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)細胞合胞程序和STB核心功能的適當激活是必要的。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。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?；瘜ζ咸烟堑囊阴；{(diào)控敏感，直接調(diào)控合胞化和代謝基因

鑒于滋養(yǎng)細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?；揎椩诤习^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STB^UP，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STB^res，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?；腟TB^UP組的交集被定義為STB^UP-all。同樣，所有四種組蛋白乙?；腟TB^res基團的交集(圖6E)被定義為STB^res-all。

為了研究STB^UP-al中哪些基因?qū)习陵P(guān)重要，該研究交叉了STB^UP-all和STB^res-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?；稽c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，草酸處理明顯導致所有這些基因的TSS啟動子區(qū)域組蛋白乙?；@著降低，而乙酸補充部分恢復了組蛋白乙?；?/strong>(圖6I-6L)。

為了探究被乙酸拯救的組蛋白乙?；欠褚矊е罗D(zhuǎn)錄拯救，該研究比較了來自CUT&Tag的STB^res-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?；瘜τ谧甜B(yǎng)細胞合胞程序和STB核心功能的適當激活是必要的。與TS細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?；? h3k9、乙酰基- h3k18、乙酰基- h3k27和乙?；? 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缺乏會永久性地損害滋養(yǎng)細胞的合胞作用

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)細胞進行免疫熒光和免疫組織化學染色，以確定體內(nèi)滋養(yǎng)細胞的合胞程度(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分化的許多標記已經(jīng)在第1天開始上升。因此，滋養(yǎng)層細胞在分化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胞命運產(chǎn)生不可逆的影響，但不影響細胞活力。

為了證明這一點，該研究對每個滋養(yǎng)細胞移植物進行組織染色。用KRT7和CDH1鑒定滋養(yǎng)細胞，用SDC1和b-hCG鑒定哪些細胞是STB。結(jié)果顯示，TS- control小鼠的滋養(yǎng)細胞移植物在體內(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(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)細胞移植物周圍有更多的自然殺傷細胞(NK)細胞(天然細胞毒性觸發(fā)受體1,NCR1)和巨噬細胞(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)細胞命運可以通過醋酸處理永久地恢復。

鑒于人滋養(yǎng)細胞移植物在體內(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)細胞可以通過短暫的醋酸補充而在功能上得到恢復。

研究總結(jié)

該研究通過代謝組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學和表觀組學等技術(shù)，使用人類妊娠早期胎盤樣本和人類滋養(yǎng)層干細胞(hTSCs)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖代謝在hTSCs和細胞滋養(yǎng)層細胞中高度活躍，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?；瘉硗炀忍墙徒馊狈Φ暮习甜B(yǎng)細胞融合，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。