常见组蛋白修饰调控滋养层细胞谱系分化的研究进展2024.docx

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1、常见组蛋白修饰调控滋养层细胞谱系分化的研究进展2024摘要胎盘是决定妊娠建立及维持胎儿正常生长发育的重要器官，其介导了母胎间的复杂对话。滋养层细胞是执行胎盘功能的一类重要细胞类型，在胎盘发育过程中，滋养层干细胞可分化为多种滋养层细胞亚型，从而维持胎盘的结构和功能。组蛋白修饰可通过调控染色质的结构及基因转录参与滋养层细胞谱系的建立和维持。本文系统性总结了重要组蛋白甲基化及乙酰化修饰调控滋养层干细胞分化及胎盘发育的复杂作用及机制。【关键词】胎盘；组蛋白修饰；滋养层干细胞滋养层细胞是执行胎盘功能的特化上皮细胞类型，参与了子宫螺旋动脉重塑、母胎血液循环建立、营养物质交换、激素分泌等重要生理过程1-2。

2、在胎盘发育过程中，滋养层干细胞分化形成不同的滋养层细胞亚型，以维持胎盘结构完整性及功能多样性2。滋养层干细胞可通过自我更新维持一定的分化潜能，其干性缺失及后期分化异常可导致胎盘结构及功能障碍，与子痫前期、宫内生长受限、流产等不良妊娠结局密切相关3-7。现有研究表明，组蛋白修饰作为一种重要表观遗传调控方式，可通过调节滋养层细胞谱系分化过程中特异基因的时空表达参与滋养层细胞干性的维持及命运决定8。本文主要针对代表性组蛋白甲基化及乙酰化修饰在滋养层干细胞分化中的作用进行综述。一.,滋养层细胞分化与胎盘发育在人类胚胎发育早期，受精卵通过卵裂逐步形成由外周的滋养外胚层(trophectoderm,TE)

3、及内侧的内细胞团(innercellmassJCM)组成的囊胚，从而构成胚胎植入及后续胎盘发育的起点9。所有胎盘滋养层细胞亚型均来自于滋养外胚层细胞，主要包括细胞滋养层细胞(cytotrophoblast,CTB)、合胞体滋养层细胞(Syncytiotrophoblast,STB)及绒毛外滋养层细胞(extravilloustrophoblast,EVT)等10-11。在胚胎植入过程中，与子宫内膜上皮细胞接触的滋养层细胞发生初级合体化形成初级合体滋养层细胞，介导胚胎侵入子宫内膜上皮12。CTB具有高度自我更新及分化潜能，可通过细胞融合分化为多核结构的STB13o植入后,胎盘逐步形成初级绒毛结构

4、，随后在此基础上不断发出小分支，形成树状绒毛小叶。在妊娠第17天左右，胚外中胚层嵌入胎盘绒毛结构内部形成绒毛间质，此时绒毛称为二级绒毛；随着绒毛中毛细血管及造血干细胞的出现，胎盘成熟的三级绒毛结构成功建立12,14胎盘绒毛分为锚定绒毛和漂浮绒毛，漂浮绒毛直接浸泡在母体血中，主要发挥物质交换作用，而锚定绒毛则将胎盘锚定到子宫中。锚定绒毛中生长旺盛的CTB可向母体蜕膜方向生长形成细胞滋养层细胞根columncytotrophoblastcells,CCCs),其末端的CTB离开CCCs分化成绒毛外间质滋养层细胞(interstitialEVT,iEVT)和血管内滋养层细胞(endovasculaE

5、VT,eEVT)iEVT浸润子宫蜕膜深层，将胎盘绒毛牢固地锚定于母体子宫；eEVT侵入母体子宫螺旋动脉，将其改造成低阻抗、高通量血管，建立丰富的母胎血液循环供给15。上述滋养层细胞亚型与其他类型细胞进行复杂互作，是构筑母-胎界面上胎盘功能模块的重要细胞生物学基础。小鼠胎盘主要由迷路层和连接层组成16在胚胎4.5d(embryoday4.5,E4.5)时内细胞团对侧的壁滋养外胚层细胞分化为初级滋养层巨细胞，与ICM紧密接触的极滋养外胚层细胞分化为胚外外胚层(extroembryonicectoderm,ExE)和夕卜胎盘锥(ectoplacentacone,EPC)oExE进一步分化为绒毛膜滋养

6、细胞层，最终发育为母胎物质交换的主要场所迷路层17。EPC则分化为次级滋养层巨细胞、海绵滋养层细胞和糖原滋养层细胞，执行内分泌及侵袭等多种功能18-19。小鼠和人胎盘结构虽然存在差异，但同属血绒毛膜胎盘，且在功能发挥及发育调控机制上较为相似，因此小鼠是目前研究滋养层细胞分化最常用的动物模型。二.组蛋白修饰表观遗传修饰是在不改变基因序列的前提下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA等方式调控基因表达的机制20o组蛋白是真核生物染色体的结构蛋白，由HkH2A、H2B、H3、H4组成，其中H2A、H2B、H3、H4构成八聚体并同缠绕的DNA形成核小体21。组蛋白修饰主要发生在组蛋白

7、N端的赖氨酸和精氨酸残基上，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等，这些修饰通过特异性影响染色质的开放状态进而参与基因的表达调控22。现有研究表明多种组蛋白修饰在胎盘发育和功能维持过程中扮演重要角色，参与染色质结构改变及基因的转录调控，使基因按特定时序选择性地转录并表达相关蛋白，介导滋养层细胞谱系建立、维持和分化过程（图1）,进而调控胎盘结构建立及功能发挥过程。组蛋白修饰调控胎盘发育的作用总结于表1。三.组蛋白甲基化与滋养层细胞分化组蛋白甲基化是在H3和H4的N端赖氨酸或精氨酸残基上添加一个或多个甲基，此过程由Writer.Eraser.Reader等分子严格调控，参与胚胎发育、细胞分化、X染色

8、体失活等生理过程39-40o在合子形成过程中，父源和母源基因组都需进行大规模组蛋白重编程，促使卵母细胞和精子结合后形成全能性胚胎；重编程紊乱可引起胚胎基因组激活异常，进而影响胚胎的正常发育过程41。组蛋白甲基转移酶作为Writer可催化组蛋白特定位点发生甲基化。不同位点的组蛋白甲基化对基因的表达调控呈现巨大差异，例如H3K9、H3K27、H4K20位点的甲基化与异染色质形成及转录沉默有关，在发育过程中对关键转录因子的抑制至关重要；而H3K4、H3K36、H3K79位点的甲基化主要在活跃基因编码区富集并促进转录42-43。此外，作用相反的两种组蛋白甲基化修饰(例如H3K4me3和H3K27me3

9、)可同时定位在同一个基因的启动子区域上形成二价修饰，使基因处于待转录状态从而响应特定的发育信号并快速转录激活44。组蛋白去甲基化酶作为EraSer可去除甲基化修饰，包括赖氨酸特异性去甲基化酶(Lysine-specificdemethylase,LSD)和含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶(JmjCdomain-containingprotein,JMJD)两个家族。1.SD家族主要通过黄素腺苗酸二核苗酸依赖的胺氧化反应进行去甲基45,JMJD家族则依赖铁和-酮戊二酸的双加氧酶反应实现特定位点甲基的擦除46。下面我们针对在胎盘发育过程中发挥重要作用的典型组蛋白甲基化修饰进行阐述。1. H3K9

10、甲基化与滋养层细胞干性维持：H3K9甲基化主要由甲基转移酶SUV39Hl/2、SETDBkG9a及去甲基化酶LSD、JMJD家族协同调控。滋养层细胞谱系分化的关键转录因子上存在动态H3K9甲基化修饰,H3K9甲基化修饰改变可造成滋养层细胞分化异常进而引起胚胎致死表型23,47。赖氨酸甲基转移酶SUV39亚家族的SUV39H1和SUV39H2催化组成型异染色质区域的H3K9me3修饰23,470过表达Suv39h1可导致胚胎中与多能性相关基因MycxKlf4及谱系决定基因PdgfraxOCt4、Tead4、Gata6表达下调，在囊胚阶段滋养外胚层错误表达NANOG,从而导致细胞命运决定紊乱23o

11、此外在小鼠滋养层干细胞(mousetrophoblaststemcellfmTSC)中敲降Suv39h1可导致CdX2、EomesxGata3等mTSC标志物丢失，诱导小鼠滋养层细胞分化相关标志物PH和Tpbpa表达，提示Suv39h1在mTSC的自我更新中尤为重要24oSUV39H2在滋养层干细胞中高表达，其可直接催化滋养层细胞分化相关基因Foxo4sCited2、Adm上的H3K9me3,从而抑制mTSC分化;在mTSC中敲降Suv39h2可引起mTSC干性标志物Cdx2和Bmp4表达下调,滋养层巨细胞分化标志物R113d1表达上调，促使mTSC分化为TGC25o另一种组蛋白甲基转移酶SE

12、TDB1通过H3K9甲基化修饰，促进染色质压缩进而抑制基因转录48。在正常胚胎发育过程中ICM来源的小鼠胚胎干细胞(mouseembryonicstemcellzmESC)通常无法分化为滋养层细胞，但是Setdbl缺失的mESC中CdX2、Tcfap2a和Handl的H3K9甲基化减少，TGC标志物PHxPI2和PIf表达上调，并呈现滋养层巨细胞形态，表明在早期胚胎发生过程中Setdbl缺失可促进mESC向滋养层谱系发育26。虽然Setdbl缺失的mESC可分化为滋养层细胞，但是无法从该mESC中分化获得mTSCf推测mTSC干性维持可能需要Setdbl的参与。在mTSC中敲降Setdbl可导

13、致mTSC标志物减少,而海绵滋养层细胞和滋养层巨细胞标志性分子表达增加且呈现出滋养层巨细胞的形态，表明Setdbl在mTSC干性状态维持过程中不可或缺27。组蛋白H3K9甲基化修饰水平不仅受到组蛋白甲基转移酶的影响，同时还需组蛋白去甲基化酶协同调节。组蛋白去甲基化酶LSD1可去除H3K9的单甲基化和二甲基化修饰促进基因的转录激活49。Lsdl全身敲除小鼠胚胎出现早期致死。Lsdl缺失的mTSC中干性标志物Cdx2和Eomes的转录水平迅速下降，E-钙黏蛋白、B连接素等与细胞紧密连接相关基因表达减少，提前出现分化特征，提示Lsdl缺失可降低分化起始阈值28。此外，Lsdl缺失可诱发mTSC分化路

14、径错误：促进细胞融合形成合胞体滋养层细胞，损害mTSC既定体外分化为海绵滋养层细胞和TGC的能力。与小鼠不同的是，在人滋养层细胞分化过程中LSD1激活分化相关基因，LSD1可以催化ERVW1、CGA和CGB启动子区域的H3K9me2去甲基化并与转录因子GATA2相互作用促进RNA聚合酶II募集从而激活基因转录，调控滋养层细胞分化形成合体滋养层细胞50。综上所述，组蛋白H3K9甲基化修饰可以动态平衡多能性转录因子及分化决定基因的表达水平，从而参与滋养层细胞干性维持及谱系建立过程。2. H3K27甲基化与滋养层细胞功能亚型的分化:H3K27甲基化主要由多梳蛋白复合物2(polycombrepres

15、sivecomplex2,PRC2)催化，PRC2的催化亚基EZH1/2与调节亚基EED、SUZ12形成多聚体，催化H3K27甲基化从而抑制基因转录51-52oEzh12和Suzl2缺失引起小鼠绒毛膜尿囊融合障碍，导致小鼠胚胎致死29-30oEED是ICM及TE谱系中H3K27甲基化的关键调控因子,在TE中异位表达Eed可增加Cdx2和Gata3的H3K27me3修饰水平，导致囊胚植入障碍31。EED在ICM谱系中高表达,mESC中敲降Eed可导致Cd2和Gata3表达增多促进mESC向mTSC的错误分化31;Wang等32构建的Eed部分失活胚胎可以正常植入但是在E11.5时出现胚胎致死。E

16、ed突变体的EPC末端高表达Mash2(Mash2可促使EPC向海绵滋养层细胞分化)从而抑制细胞分化成TGC,说明Eed可以调控Mash2从而影响滋养层细胞正确分化。H3K27me3可与H3K4me3同时修饰基因的启动子区域，使二价基因处于待激活状态,H3K27me3修饰可使分化相关的二价基因处于抑制状态从而维持胚胎干细胞的多能性，H3K27me3修饰的去除可导致二价基因激活，促使细胞启动分化进程53。在人原始多能干细胞向滋养层细胞分化的过程中，PRC2介导H3K27me3修饰发挥决定性调控作用54通过PRC2抑制齐IJUNU999去除人原始多能干细胞中的H3K27me3修饰，引起GATA2、GATA3、KRT7以及VGLL1滋养层基因激活，促使人原始多能干细胞获得类似人滋养层细胞的形态，并进一步分化为细胞滋养层和成熟的绒毛外滋养层，提示PRC