乙酰辅酶A代谢在维持人类胎盘滋养层干细胞同步化中的作用

研究背景与目的

胎盘在孕期是母体与胎儿间的重要代谢桥梁，其正常功能对胎儿与母体的健康至关重要。胎盘通过滋养层干细胞（human trophoblast stem cells，HTSCs）不断分化形成多核细胞同步化的滋养层细胞（syncytiotrophoblasts，STBs），并通过此过程实现母胎间的物质交换。尽管先前研究指出代谢途径，尤其是葡萄糖代谢，在调控干细胞命运与分化中起到关键作用，但具体的代谢机制尚未完全理解。本研究基于此背景，探讨了乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）代谢在HTSC分化和同步化过程中维持组蛋白乙酰化的作用，以揭示胎盘滋养层细胞代谢编程对母胎营养平衡的调控机制。

论文来源

本文作者包括来自中国科学院动物研究所、干细胞与再生医学研究所及北京干细胞再生医学研究所的Xin Yu、Hao Wu、Jiali Su等研究人员。论文发表于2024年9月5日的《Cell Stem Cell》，并由Elsevier出版。

研究流程

实验设计与研究流程

本研究使用了早期人类胎盘样本及体外培养的HTSCs。研究分为以下几个阶段：

1. 代谢状态分析：通过对人类胎盘第一孕期的CTBs（细胞滋养层祖细胞）和STBs进行单细胞RNA测序，分析了葡萄糖代谢关键酶的表达变化，发现HTSCs和CTBs在同步化过程中从高活性糖酵解状态逐渐降低至基础水平。

2. 蛋白质和代谢物分析：通过免疫荧光和免疫组化技术，检测了CTBs和STBs中糖酵解酶和三羧酸循环酶的表达水平。结果显示，CTBs中糖酵解酶（如己糖激酶2、磷酸果糖激酶等）显著高于STBs。同时，利用质谱技术分析了糖酵解相关代谢物水平，进一步验证了CTBs中活跃的糖代谢状态与STBs中脂肪酸代谢的增强。

3. 代谢抑制实验：为研究基础糖酵解对HTSC同步化的作用，研究采用2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）和草酸氨酯抑制糖酵解关键步骤，并观察其对HTSC同步化标志基因表达的影响。结果显示，HTSC分化时维持的基础糖酵解水平对同步化至关重要，任何抑制都会导致同步化标志基因表达显著下降。

4. 乙酸补充实验：通过补充乙酸恢复HTSC细胞内的乙酰辅酶A水平，发现乙酸显著改善了因糖酵解抑制而导致的同步化障碍，并恢复了同步化相关基因的表达水平。结合组蛋白乙酰化数据，研究确认了乙酰辅酶A在组蛋白H3和H4的乙酰化过程中具有关键调控作用。

5. RNA测序分析：RNA测序结果表明，抑制糖酵解导致HTSC同步化基因表达受抑，同时引发了炎症反应和代谢应激。乙酸的补充显著逆转了这些异常基因表达。

6. 组蛋白乙酰化分析：通过Cut&Tag技术，作者发现糖酵解来源的乙酰辅酶A维持了特定组蛋白位点的乙酰化（如H3K9/18/27和H4K16），这些乙酰化位点对于同步化相关基因启动子区的调控至关重要。

7. 体内验证：采用HTSC的异种移植模型，进一步验证短暂的糖酵解缺陷会永久性地改变HTSC的分化潜力，导致炎症反应增加，且可通过短暂补充乙酸进行逆转。

新方法与创新点

本研究在体外模型中引入13C葡萄糖同位素标记法，以量化HTSC分化过程中葡萄糖代谢的动态变化。结合代谢组学、转录组学及组蛋白乙酰化修饰分析，揭示了乙酰辅酶A对HTSC分化至关重要的调控机制。同时，通过体内异种移植模型，首次验证了HTSC代谢缺陷对胎盘发育的长期影响。

研究结果

1. 葡萄糖代谢在HTSC分化中的作用：CTBs和HTSCs在同步化过程中表现出糖代谢的显著下降，且基础糖酵解水平对于HTSC的同步化至关重要。通过2-DG和草酸氨酯抑制糖酵解后，同步化标志基因（如ERVFRD1、SYN1等）的表达显著下降，说明糖酵解抑制会阻碍HTSC同步化。

2. 乙酰辅酶A在组蛋白乙酰化中的关键作用：乙酸补充恢复了乙酰辅酶A水平，显著逆转了因糖酵解抑制导致的组蛋白乙酰化水平下降。具体而言，组蛋白H3K9、H3K18、H3K27和H4K16位点的乙酰化状态对同步化基因的表达具有重要调控作用。

3. 代谢应激与炎症反应的关联：糖酵解抑制不仅阻碍HTSC同步化，还诱导了代谢应激和炎症基因的表达。乙酸补充有效抑制了这些应激和炎症基因，表明基础糖酵解在维护HTSC正常分化与功能中的重要性。

4. 体内验证：异种移植实验表明，即使在短暂的糖酵解抑制后，HTSC分化潜力仍受到永久性损害，表现为炎症反应增加、多核STBs减少。补充乙酸能显著恢复这些改变。

研究结论与意义

本研究阐明了HTSC的基础糖酵解对其同步化至关重要。乙酰辅酶A不仅是细胞代谢的核心中间体，还通过维持组蛋白乙酰化对HTSC的细胞命运决定和分化具有重要调控作用。适量的乙酰辅酶A对于胎盘的正常发育及母胎营养平衡具有重要意义，这一机制的理解为预防胎盘相关疾病（如妊娠高血压、胎儿生长受限等）提供了新的科学基础。

研究亮点与创新

1. 揭示了乙酰辅酶A的代谢调控作用：本研究首次系统性地展示了乙酰辅酶A在HTSC同步化过程中的关键作用，提出糖酵解衍生的乙酰辅酶A对组蛋白乙酰化和基因表达的双重调控作用。

2. 代谢与组蛋白修饰的耦合机制：发现乙酰辅酶A通过特定组蛋白位点的乙酰化（如H3K9/18/27和H4K16）调控胎盘细胞命运，这种代谢-表观遗传的耦合机制为理解胎盘发育与功能提供了新视角。

3. 长期代谢缺陷的不可逆影响：首次在体内模型中验证了短暂的糖酵解抑制对HTSC分化的永久性损害，提示胎盘滋养层细胞代谢平衡的脆弱性及其对母胎健康的深远影响。

4. 乙酸补充的潜在临床价值：研究发现短期乙酸补充可以有效逆转糖酵解抑制带来的HTSC同步化障碍，为未来治疗孕期胎盘功能异常提供了潜在的干预手段。

研究的科学和应用价值

本研究揭示的HTSC代谢编程机制在胎盘发育和母胎营养平衡中的重要性，为了解胎盘相关疾病（如妊娠高血压、胎儿生长受限等）的发病机制提供了新见解。研究提供了糖酵解代谢在胎盘同步化过程中的作用新模型，显示了代谢调控在维持胎盘功能中的核心作用。未来，基于这一机制的干预措施可能为预防和治疗胎盘功能不全等问题提供新的思路。