表观遗传调控在正常胎盘发育和子痫前期发病中的作用

来源:用户上传      作者:金璟 张丽 赵莉娜 刘国成

　　【摘要】 子痫前期是一种复杂的多系统疾病，在全世界范围内，该病的发病率为3%～7%，由于尚无有效的治疗方案，子痫前期仍是孕产妇和胎儿死亡的主要原因。此外，虽然该病伴随着胎盘的滋养细胞异常侵袭，抗血管生成反应，氧化应激和炎症反应，但其病因缺乏明确性。内分泌、免疫因素及环境因素等可能引起表观遗传学变化，包括DNA甲基化，非编码RNA及组蛋白修饰等，这些修饰的改变可能与子痫前期的发病有关。例如胎盘植入过程中异常的DNA甲基化是子痫前期发病相关的最重要的表观遗传因素。而且非编码RNA的过度调节或低调节对多种信号通路的影响，以及组蛋白修饰的变化也可能导致子痫前期的发病。本文的目的是描述子痫前期中表观遗传学的改变及对其治疗策略。
　　 【关键词】 子痫前期 表观遗传学 DNA甲基化 非编码RNA 组蛋白修饰
　　 The Role of Epigenetic Regulation in Normal Placental Development and Preeclampsia/JIN Jing， ZHANG Li， ZHAO Li’na， LIU Guocheng. //Medical Innovation of China， 2020， 17（25）： -172
　　 [Abstract] Preeclampsia is a complex multi system disease. The incidence rate of 3%-7% is worldwide. Because there is no effective treatment plan， preeclampsia is still the main cause of maternal and fetal death. In addition， although the disease is accompanied by abnormal invasion of trophoblast， anti angiogenic response， oxidative stress and inflammatory response， the etiology is still unclear. Endocrine， immune and environmental factors may cause epigenetic changes， including DNA methylation， noncoding RNA and histone modification， which may be related to the pathogenesis of preeclampsia. For example， abnormal DNA methylation during placenta implantation is the most important epigenetic factor associated with preeclampsia. Moreover， the over regulation or low regulation of noncoding RNA on a variety of signal pathways and the changes of histone modification may also lead to the pathogenesis of preeclampsia. The aim of this paper is to describe the epigenetic changes in preeclampsia and to study the therapeutic strategies.
　　 [Key words] Preeclampsia Epigenetics DNA methylation Noncoding RNA Histone modification
　　 First-author’s address： Guangdong Women and Children Hospital， Guangzhou 511400， China
　　 doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2020.25.044
　　 表觀遗传学的定义是没有DNA序列改变的情况下，基因表达的可遗传的变化[1]。此外，表观遗传学包括从DNA去除或添加特定分子而进行的变化，这种变化会影响细胞对基因的解析方式[2]。表观遗传变化会对许多生物过程产生高度影响，包括复制、转录、损伤修复、新陈代谢、迁移、DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰等。鉴于大多数的表观遗传变化是可逆的，因此，识别疾病中各种表观遗传机制的变化，对疾病会有不同的治疗策略。
　　 子痫前期是一种妊娠期特异性疾病，是世界范围内孕产妇和胎儿发病率及死亡率的首要原因之一，该病的发病率为3%～7%。在子痫前期病因学的经典观点中，该病的发展通常被认为有两个阶段，一是胎盘形成不良，即滋养细胞浅着床或浸润不充分引起子宫螺旋动脉重铸失败;二是胎盘局部缺血激活一系列炎性因子进入母体血液循环，造成内皮细胞损伤。此外，许多研究表明内分泌，遗传，环境和免疫因素可能是导致子痫前期发病的主要原因。然而，该病进展的分子机制和确切的发病机理仍不清楚。大量证据表明，表观遗传学与子痫前期存在联系，表观遗传调控机制主要包括DNA甲基化、基因组印记、染色质重塑、非编码RNA（ncRNA）调控及组蛋白修饰等，在胎盘发育和生理调节中起着重要作用[3]。本文的目的是描述子痫前期胎盘组织和其他受影响组织中的表观遗传学改变和其可能在疾病发展中发挥的作用，以及针对这些变化的治疗策略。
　　1 正常胎盘发育和表观遗传学
　　1.1 胎盘及胎盘发育的描述 胎盘是一个临时器官，通过脐带将发育中的胎儿连接到子宫壁，通过母亲的血液吸收营养，调节热量，处置废物和交换气体。另外，胎盘产生的激素可以维持正常妊娠，并且也是抵抗内部感染的屏障。 　　 人足月胎盘呈盘状，平均直径为15～20 cm，中心厚度为2.5 cm，重约500 g。其表面是胎儿侧的绒毛膜板，脐带连接在其上，而基底板面向孕妇子宫内膜。在子宫内膜和基底板之间有一个充满母体血液的腔，即间质空腔，绒毛膜的分支绒毛伸入其中。绒毛膜绒毛是胎盘的结构和功能单元，由成纤维细胞、间充质细胞、内皮细胞、免疫细胞和胎盘血管组成。绒毛被两层滋养细胞覆盖，内层由绒毛细胞滋养细胞（vCT）组成，vCT高度增殖，可分化为与母体血液直接接触的合胞体滋养层（SCT）和绒毛外滋养层（EVT）。
　　 胎盘发育开始于胚泡通过邻近内细胞团（ICM）上的滋养外胚层细胞植入子宫内膜，同时由滋养细胞融合形成的SCT出现并在胚泡外扩展。随后，滋养细胞迅速增生，穿透整个SCT，形成初级绒毛干。最终，绒毛中充满源自胚外中胚层的间充质，该间充质将形成胎儿血管，其通过脐带连接到胎儿循环[4]。绒毛间隙随后充满母体血液，锚定于绒毛尖端的vCT增殖并分层，形成高度致密的细胞柱。由于其位于相对于绒毛膜的外部位置，此结构中的滋养细胞称为EVTs。位于蜕膜附近的EVTs会停止增殖，并具有侵袭性。这些侵袭性绒毛膜外滋养细胞会深入蜕膜，在蜕膜中转化为子宫血管，将母体血液供应给胎盘，这是建立子宫胎盘循环的关键一步。
　　1.2 胎盘发育的表观遗传学机制 表观遗传机制参与了胎盘组织发育和分化过程中基因表达的调控，这些机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNA的作用等，并通过调节转录因子和其他调节蛋白对DNA的可及性来调节基因表达。另外，ncRNAs还在转录后水平上调节基因表达，表观遗传机制对细胞的分化和发育至关重要。
　　1.2.1 胎盘发育中的DNA甲基化 在胎盘发育的表观遗传机制中研究最多的是DNA甲基化，通常是在胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）二核苷酸的情况下，将甲基共价添加到胞嘧啶。目前已经进行了一些高通量分析来分析发育中胎盘的甲基化表观遗传学。鉴于人滋养干细胞（TSC）群体尚未建立，最近的研究采用从早孕胎盘中分离出的侧群滋养细胞（TSC的候选物）来研究DNA甲基化在滋养层分化早期的作用机制[5]。与成熟的vCT相比，侧群滋养细胞基因的甲基化在细胞周期调节、分化及多能性调节方面具有差异性。此外，vCT和EVT的基因甲基化组比较显示，绒毛外滋养细胞获得的侵袭能力可能与此有关。尽管大量证据表明，CpG甲基化参与了滋养细胞的分化，但它并不是唯一的调控过程。
　　 胎盘植入的早期步骤让人联想到恶性肿瘤的侵袭特性，在癌细胞和胎盘组织的表观基因组研究中显示它们具有相似性，特别是整个基因组广泛的低甲基化和CpG岛的局灶性高甲基化。胎盤内的低甲基化区域分布并不均匀，一般将这些区域称为部分甲基化结构域（PMDs），覆盖了约40%的胎盘基因组[6]。与躯体组织相比，PMD中的胎盘基因倾向于具有组织特异性，并显示出启动子DNA的高甲基化和下调表达。通过对胎盘发育中的几种抑制基因（APC、Maspin）启动子的甲基化状态研究，表明启动子DNA甲基化调节这些抑制基因的表达，进而影响滋养细胞的迁移和侵袭能力。
　　1.2.2 胎盘发育中的ncRNA ncRNA定义为未翻译成蛋白质的RNA分子。ncRNA的类型包括转移RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA），miRNA，siRNA，piRNA，snoRNA，snRNA，exRNA，scaRNA和长ncRNA。这些分子在胎盘的发育、生理及病理学中都起到至关重要的作用。在这里，笔者将仅讨论长链非编码RNA（lncRNA）在胎盘发育表观遗传调控中的作用。
　　 lncRNA是长度大于200个核苷酸的RNA，虽不编码蛋白质，但参与许多细胞事件，包括基因表达的调控，转录后修饰，表观遗传修饰，基因印迹和X染色体失活等[7]。它们通过结合其他RNA、蛋白质或作为信号分子来干扰转录过程。通常单个lncRNA具有多种功能。lncRNA参与了滋养细胞功能的许多关键步骤，包括从增殖、浸润、迁移到细胞周期的进程。H19是最早发现的lncRNA之一[8]。H19是位于IGF2下游11号染色体上一个较大的印迹区域内。H19和IGF2被相互印记，即对于H19，仅表达母亲等位基因，而对于IGF2，仅表达父亲等位基因，H19的表达受人胎盘中锌指转录因子PLAGL1的调控[8-9]。已经描述的H19的两个主要功能是作为小RNA和蛋白质结合的调节剂和作为miRNA mir-675的来源。H19在胎盘中的双等位基因表达水平存在差异，在妊娠10周前，H19的表达主要限于母体等位基因。此外，H19的表达仅限于中间型滋养细胞和细胞滋养细胞，在人胎盘的合体滋养细胞中并未发现。滋养细胞中H19的下调可导致增殖和凋亡的抑制。许多其他lncRNA也参与了胎盘的发育，包括incRNA SPRY4-IT1，miR503HG，LINC00629，MEG3，MALAT1，RPAIN和TUG1[10]。当然，这些IncRNA在胎盘发育过程中的具体功能仍需要进一步研究。
　　1.2.3 胎盘发育中的组蛋白修饰 组蛋白修饰是通过酶修饰组蛋白的过程，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等翻译后修饰。目前对组蛋白修饰在人胎盘中的作用机制认识较少，主要涉及对小鼠的研究。甲基化经常发生在组蛋白H3和H4的特定赖氨酸与精氨酸残基上。组蛋白赖氨酸甲基化可导致活化或抑制，这取决于其所处的位置。例如H3K9，H3K27和H4K20的甲基化被认为是重要的“失活”标记，而H3K4和H3K36的甲基化被认为是“激活”标记[11]。多数情况下，乙酰化是在N端保守的赖氨酸残基中发生，也是修饰组蛋白的重要方法，例如组蛋白H3的赖氨酸残基9和14以及组蛋白H4的赖氨酸残基5、8、12和16在组蛋白乙酰化酶（HATs）作用下发生的乙酰化。乙酰化通常与染色质的激活有关。反之，组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）对赖氨酸残基进行脱乙酰基作用会导致染色质凝聚和基因转录失活[12]。胎盘发育过程中组蛋白修饰的另一个例子是CREB结合蛋白（CBP）对组蛋白H2A和H2B的乙酰化作用。CBP作为一种乙酰转移酶，在维持干细胞特性的同时，降低了小鼠滋养干细胞的侵袭性[13]。H3K9乙酰化和H3K4甲基化的结合可激活Maspin，这是一种抑癌基因，与人类滋养层的运动性和侵袭性呈负相关。 　　2 子痫前期的表观遗传改变
　　2.1 子痫前期胎盘中的甲基化改变 子痫前期发病原因之一是胎盘形成过程中DNA甲基化异常。与子痫前期相关的不同表观遗传变化中，DNA甲基化是最重要的因素。在子痫前期胎盘中，DNA甲基化的整体改变与母体血压有关。Friso等[14]对RUNX3、LINE-1和HSD11B2基因DNA甲基化与子痫前期发病之间的关系做了相关综述。HSD11B2基因编码的11β羟基类固醇脱氢酶2型（11β-HSD2）通过抑制胎盘组织中盐皮质激素受体的激活，在血压调节中起重要作用。与对照组相比，子痫前期组中RUNX3，LINE-1和HSD11B2基因的甲基化降低。Huang等[15]研究显示胎盘细胞内腺苷介导的DNA超甲基化改变了与子痫前期相关的胎盘基因表达。TET2作为一种酶，通过调节启动子中-233 CpG和-712 CpG上的基质金属蛋白酶9（MMP-9）启动子去甲基化，在调节滋养细胞侵袭中起关键作用。SPESP1是成功受精所必需的，对于启动精子与卵子的融合至关重要。Yeung等[16]证实了子痫前期患者SPESP1启动子CpG区的甲基化过高。NOX5是NADPH氧化酶家族的成员，是活性氧（ROS）的基本来源。ROS具有不同的作用，包括转化，凋亡，增殖和分化，NOX5基因的高甲基化与妊娠期疾病有关。Yeung等[16]也证明了子痫前期中NOX5的CpG位点超甲基化。PE中Von Hippel Lindou（VHL）肿瘤抑制蛋白被下调，该蛋白对于胎盘的正常发育至关重要。Alahari等[17]指出，在早发型子痫前期中VHL基因富含CpG的区域中存在高甲基化，这些DNA甲基化改变可能与子痫前期胎盘环境异常有关。
　　2.2 子痫前期非编码长链RNA 目前研究发现ncRNA的差异性表达可能导致子痫前期的发病，其中lncRNA在子痫前期中占主导地位。胎盘和蜕膜总RNA的转录组学分析可以鉴定子痫前期和对照组之间差异表达的lncRNA[18]。lncRNA通过不同的机制发挥作用，具体取决于特定的lncRNA，细胞类型和下游靶标。在过去的几年中，子痫前期中已鉴定出一些lncRNA作为潜在的调节剂，其中TUG1，PVT1和DIAPH2-AS1具有相同的作用机制[19]。lncRNA TUG1在子痫前胎盘中被下调。通过对TUG1下调的滋养细胞细胞系（JEG3和HTR-8/SVneo）的研究，结果表明TUG1的下调会影响细胞的增殖和生长，迁移和侵袭，同时会增加细胞凋亡。另一个在子痫前期胎盘中强烈下调的是lncRNA PVT1，其下调对滋养层细胞系的增殖产生负面影响，并增加其凋亡[20]。研究发现PVT1将（组蛋白修饰因子增强子）EZH2募集到转录因子ANGPTL4的启动子上，通过抑制性染色质标记物的增加来驱动EZH2的抑制。Feng等[21]发现子痫前期胎盘中的lncRNA DIAPH2-AS1与转录因子HOXD8一起被上调。在缺氧条件下，转录因子HOXD8被上调并诱导lncRNA DIAPH2-AS1的表达。DIAPH2-AS1通过改变启动子中染色质的修饰状态，从而降低组蛋白H3的甲基化。
　　2.3 子痫前期的组蛋白修饰 某研究发现HIF-KDM3A-MMP12信号级联在大鼠胎盘和人胎盘细胞中具有促进滋养细胞侵袭和诱导子宫螺旋动脉重塑的作用。缺氧环境刺激HIF激活和KDM3A表达，这反过来将使基因的组蛋白甲基化状态发生改变，从而促进侵袭性滋养细胞谱系的发育和组织重塑，如滋养细胞衍生的MMP12激活。缺氧也会影响组蛋白脱甲基酶JMJD6（含有Jumonji结构域的蛋白质6），与对照组相比，JMJD6脱甲基酶活性在子痫前期胎盘中显著降低[22]。最近，在子痫前期胎盘中研究了HDACs的表达，发现合体滋养层细胞中仅HDAC9在mRNA和蛋白水平均被下调，敲除HTR-8/SVneo细胞中的HDAC9可抑制滋养层细胞迁移和侵袭[23]。
　　3 总结
　　 近年来，越来越多的研究显示表观遗传学在胎盘发育调节中的作用及其对胎盘病理学的潜在影响，但仍然缺乏关于这些表观遗传修饰如何与基因表达相关的精确描述。最近的研究已经开始揭示表观遗传学如何参与胎盘发育中重要过程的调控。如果研究胎盘不同细胞类型的表观遗传学和转录组学新技术，无疑将极大地增进人们对胎盘表观遗传学的了解。总体而言，对子痫前期在胎盘水平的表观遗传调控的理解可以提供新的生物标志物和治疗靶标，以改善对这种疾病的控制。
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　　（收稿日期：2020-02-05） （本文編辑：姬思雨）
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