文獻(xiàn)解讀：產(chǎn)前重金屬暴露通過(guò)改變表觀遺傳修飾調(diào)控胎盤(pán)血管生成機(jī)制
近日，安徽醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)系徐德祥教授團(tuán)隊(duì)在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊《Journal of Hazardous Materials》發(fā)表題為“Prenatal arsenic exposure disrupts placental angiogenesis by altering Pdgfb promoter epigenetic modification”的科研成果。本研究系統(tǒng)闡明了產(chǎn)前砷（Arsenic，As）暴露通過(guò)抑制胎盤(pán)血管生成關(guān)鍵因子PDGFB的表達(dá)致使胎盤(pán)血管發(fā)育異常及胎兒生長(zhǎng)受限的機(jī)制。具體而言，砷暴露通過(guò)降低TCA循環(huán)代謝物 α-酮戊二酸（α-KG） 含量和抑制 TET酶活性，改變Pdgfb基因啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化（5mC）和羥甲基化（5hmC）修飾，從而下調(diào)PDGFB表達(dá)，最終破壞胎盤(pán)血管生成功能。此外，研究還發(fā)現(xiàn)α-KG補(bǔ)充可以恢復(fù)砷誘導(dǎo)的Pdgfb表觀遺傳修飾異常，并改善胎盤(pán)血管生成和胎兒生長(zhǎng)受限。本研究結(jié)合細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物模型和人群隊(duì)列驗(yàn)證，首次提出“α-KG/TET/Pdgfb”軸的表觀遺傳重編程是砷致胎盤(pán)毒性的關(guān)鍵。
標(biāo)題：Prenatal arsenic exposure disrupts placental angiogenesis by altering Pdgfb promoter epigenetic modification（產(chǎn)前砷暴露通過(guò)改變 Pdgfb 啟動(dòng)子表觀遺傳修飾來(lái)破壞胎盤(pán)血管生成）
發(fā)表時(shí)間：2025年8月15日
發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials
影響因子：IF11.3/Q1
技術(shù)平臺(tái)：代謝組學(xué)分析、RNA-seq、DNA羥甲基化測(cè)序（ACE-seq）等（易基因金牌技術(shù)）
作者單位：安徽醫(yī)科大學(xué)衛(wèi)生毒理學(xué)系
DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.138736
本研究旨在探討產(chǎn)前砷（As）暴露對(duì)胎盤(pán)血管生成及其關(guān)鍵機(jī)制的影響。研究者在大鼠妊娠期間通過(guò)口飼亞砷酸鈉（NaAsO2）進(jìn)行砷暴露處理，且利用HTR8/SVneo細(xì)胞系建立體外模型，并通過(guò)RNA-seq測(cè)序以鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子。同時(shí)，使用多組學(xué)方法檢測(cè)關(guān)鍵調(diào)控因子的DNA甲基化和DNA羥甲基化水平，并采用代謝組學(xué)方法尋找潛在機(jī)制。結(jié)果顯示，砷暴露減少了小鼠胎盤(pán)血管的直徑和數(shù)量，并削弱了HTR8/SVneo細(xì)胞系的內(nèi)皮樣管狀形成能力。此外，RNA-seq鑒定出血小板衍生生長(zhǎng)因子b（Pdgfb）為此過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控因子。具體而言，砷暴露通過(guò)抑制TET活性改變Pdgfb的甲基化和羥甲基化，從而下調(diào)PDGFB表達(dá)。代謝組學(xué)分析表明，砷暴露下調(diào)了TCA循環(huán)代謝物α-KG，可能介導(dǎo)TET活性抑制。對(duì)小鼠和細(xì)胞進(jìn)行α-KG補(bǔ)充可改善砷誘導(dǎo)的Pdgfb甲基化和羥甲基化變化，改善砷誘導(dǎo)的血管生成能力減弱，并防止小鼠胎兒生長(zhǎng)受限。有趣的是，在病例對(duì)照研究中，母體血清α-KG含量和胎盤(pán)PDGFB含量與尿液砷濃度呈負(fù)相關(guān)，而胎盤(pán)PDGFB含量與出生體重呈正相關(guān)�？傮w而言，產(chǎn)前砷暴露通過(guò)改變Pdgfb的表觀遺傳編程損害胎盤(pán)血管生成。
- 砷暴露因PDGFB表達(dá)下調(diào)而減弱小鼠胎盤(pán)和人類(lèi)滋養(yǎng)層細(xì)胞的血管生成。
- 砷暴露通過(guò)抑制TET活性誘導(dǎo)Pdgfb表觀遺傳修飾改變。
- 砷暴露下調(diào)TCA循環(huán)代謝物α-KG，從而抑制TET活性。
- α-KG補(bǔ)充改善砷誘導(dǎo)的Pdgfb表觀遺傳修飾改變和血管生成能力。
本研究采用了一系列實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探討產(chǎn)前砷暴露對(duì)胎盤(pán)血管生成的影響及其機(jī)制。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：使用CD-1小鼠，通過(guò)在飲用水中添加NaAsO2（15mg/L）模擬產(chǎn)前砷暴露，觀察其對(duì)胎盤(pán)血管生成的影響。實(shí)驗(yàn)組小鼠從妊娠第0.5天（GD0.5）開(kāi)始飲用含NaAsO2的水，直至妊娠第18.5天（GD18.5）。
細(xì)胞實(shí)驗(yàn)：使用HTR8/SVneo細(xì)胞系（一種人胎盤(pán)滋養(yǎng)層細(xì)胞系）建立體外模型，研究砷暴露對(duì)細(xì)胞血管生成能力的影響。細(xì)胞分別暴露于不同濃度的NaAsO2（0.02 μM、0.2 μM、2 μM）和不同時(shí)間（4天、8天、12天）。
RNA-seq：對(duì)砷處理的HTR8/SVneo細(xì)胞系進(jìn)行RNA-seq測(cè)序，篩選出與血管生成相關(guān)的差異表達(dá)基因。通過(guò)GO分析和KEGG分析，進(jìn)一步探討這些基因的功能和信號(hào)通路。
表觀遺傳修飾檢測(cè)：檢測(cè)Pdgfb基因啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化水平，使用ACE-seq技術(shù)檢測(cè)DNA羥甲基化水平，分析砷暴露對(duì)Pdgfb基因啟動(dòng)子表觀遺傳修飾的影響。
代謝組學(xué)分析：通過(guò)UPLC-MS/MS檢測(cè)細(xì)胞和胎盤(pán)中的代謝物含量，特別是α-KG TCA循環(huán)相關(guān)代謝物，揭示砷暴露對(duì)細(xì)胞代謝的影響，以及這些代謝變化如何影響表觀遺傳修飾。
TET活性檢測(cè)：評(píng)估砷暴露對(duì)TET活性的影響。
α-KG補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)：在砷暴露的HTR8/SVneo細(xì)胞系和小鼠中添加二甲基-α-KG（Dm-αKG）或α-KG，觀察其對(duì)Pdgfb表觀遺傳修飾和血管生成能力的改善效果。
病例對(duì)照研究：從TIMFEM出生隊(duì)列中選取樣本，分析孕婦尿液中砷濃度與胎盤(pán)基因組甲基化和羥甲基化水平、胎盤(pán)PDGFB含量及出生體重之間的相關(guān)性。
結(jié)果圖形
（1）砷暴露下調(diào)小鼠胎盤(pán)和HTR8/SVneo細(xì)胞系中的PDGFB表達(dá)
RNA-seq發(fā)現(xiàn)砷處理組301個(gè)基因下調(diào)，144個(gè)上調(diào)，GO分析顯示PDGFB富集于血管生成相關(guān)通路。RT-PCR和免疫印跡驗(yàn)證PDGFB在砷暴露的胎盤(pán)和細(xì)胞中表達(dá)均降低，提示PDGFB是砷抑制血管生成的核心靶點(diǎn)。
為揭示砷誘導(dǎo)的PDGFB下調(diào)的潛在原因，研究人員分析了Pdgfb啟動(dòng)子的甲基化和羥甲基化模式。
在HTR8/SVneo細(xì)胞系中，Pdgfb啟動(dòng)子有4個(gè)富含CpG片段。結(jié)果顯示，砷處理的HTR8/SVneo細(xì)胞系中第三個(gè)片段的甲基化水平增加。
接下來(lái)，研究人員分析了砷暴露對(duì)HTR8/SVneo細(xì)胞系Pdgfb羥甲基化的影響。檢測(cè)到Pdgfb啟動(dòng)子的第二個(gè)、第三個(gè)和第四個(gè)片段的羥甲基化水平。其中，第二個(gè)和第三個(gè)片段的羥甲基化水平在砷處理的HTR8/SVneo細(xì)胞系中降低，其中6個(gè)位于CpG位點(diǎn)。
在小鼠胎盤(pán)中，Pdgfb啟動(dòng)子有3個(gè)富含CpG的片段。結(jié)果顯示，砷暴露小鼠胎盤(pán)中Pdgfb基因的三個(gè)片段的甲基化水平無(wú)差異�；鹕綀D顯示，砷暴露小鼠胎盤(pán)中59個(gè)CpG位點(diǎn)的甲基化水平未改變，但3個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平降低，1個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平增加。
接下來(lái)，研究人員分析了小鼠胎盤(pán)的Pdgfb羥甲基化。結(jié)果檢測(cè)到Pdgfb啟動(dòng)子的第一個(gè)和第二個(gè)片段羥甲基化水平。其中，第二個(gè)片段的羥甲基化水平在砷暴露小鼠胎盤(pán)中降低。
二甲基-α-KG（Dm-αKG）是一種細(xì)胞可滲透的α-KG類(lèi)似物。研究人員分析了Dm-αKG對(duì)砷處理的HTR8/SVneo細(xì)胞系中Pdgfb甲基化模式的影響。結(jié)果顯示，Dm-αKG緩解了砷誘導(dǎo)的Pdgfb基因第三個(gè)片段的甲基化上調(diào)。隨后，研究人員評(píng)估了Dm-αKG對(duì)Pdgfb羥甲基化的影響。結(jié)果顯示，砷處理的HTR8/SVneo細(xì)胞系中第二個(gè)和第三個(gè)片段的羥甲基化水平降低。Dm-αKG處理逆轉(zhuǎn)了砷誘導(dǎo)的Pdgfb基因第三個(gè)片段的羥甲基化降低。
接下來(lái)，研究人員觀察了Dm-αKG對(duì)Pdgfb mRNA和蛋白的影響。結(jié)果顯示，Dm-αKG緩解了砷誘導(dǎo)的Pdgfb mRNA和蛋白下調(diào)。最后，研究人員分析了Dm-αKG對(duì)管狀形成能力的影響。結(jié)果顯示，Dm-αKG處理改善了砷誘導(dǎo)的內(nèi)皮樣管狀形成障礙。此外，Transwell遷移實(shí)驗(yàn)和傷口愈合實(shí)驗(yàn)顯示，Dm-αKG處理緩解了砷誘導(dǎo)的遷移抑制。
（4）母體α-KG補(bǔ)充可改善砷暴露小鼠胎盤(pán)中Pdgfb的甲基化和羥甲基化以及胎盤(pán)血管生成能力
研究人員分析了α-KG補(bǔ)充對(duì)砷暴露小鼠胎盤(pán)中Pdgfb啟動(dòng)子甲基化水平的影響。結(jié)果顯示，不同組之間Pdgfb基因的三個(gè)片段的甲基化水平無(wú)差異。與砷暴露小鼠相比，α-KG補(bǔ)充小鼠胎盤(pán)中4個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平下調(diào)。
接下來(lái)，研究人員分析了α-KG補(bǔ)充對(duì)Pdgfb羥甲基化水平的影響。結(jié)果顯示，砷誘導(dǎo)的Pdgfb基因第二個(gè)片段的羥甲基化水平降低在α-KG補(bǔ)充小鼠胎盤(pán)中得到逆轉(zhuǎn)。同時(shí)，研究人員檢測(cè)了α-KG補(bǔ)充對(duì)胎盤(pán)PDGFB蛋白的影響。免疫印跡和ELISA實(shí)驗(yàn)顯示，α-KG補(bǔ)充緩解了砷誘導(dǎo)的PDGFB下調(diào)。
此外，研究人員評(píng)估了母體α-KG補(bǔ)充對(duì)胎盤(pán)發(fā)育和胎兒生長(zhǎng)的影響。結(jié)果顯示，α-KG補(bǔ)充緩解了砷誘導(dǎo)的迷宮區(qū)面積減少，以及迷宮區(qū)與連接區(qū)厚度比降低。同時(shí)，α-KG補(bǔ)充緩解了砷誘導(dǎo)的迷宮區(qū)血竇面積減少。免疫組化實(shí)驗(yàn)顯示，α-KG補(bǔ)充緩解了砷誘導(dǎo)的CD34+血管數(shù)量和血管直徑減少。免疫印跡實(shí)驗(yàn)顯示，α-KG補(bǔ)充恢復(fù)了砷誘導(dǎo)的胎盤(pán)CD34、VEGF、MCT1和MCT4蛋白水平的下調(diào)。最后，研究人員評(píng)估了α-KG補(bǔ)充對(duì)胎兒發(fā)育的影響。結(jié)果顯示，砷暴露小鼠的胎兒體重和冠臀長(zhǎng)顯著降低。而α-KG補(bǔ)充緩解了砷誘導(dǎo)的胎兒體重和冠臀長(zhǎng)的減少。相關(guān)性分析顯示，胎盤(pán)重量與胎兒體重呈正相關(guān)。
（5）病例對(duì)照研究：母體尿液砷濃度、胎盤(pán)基因組甲基化和羥甲基化水平、胎盤(pán)PDGFB含量與出生體重之間的關(guān)聯(lián)
研究人員分析了中國(guó)合肥“通過(guò)多點(diǎn)暴露監(jiān)測(cè)改善母嬰健康（TIMFEM）”出生隊(duì)列中的樣本，評(píng)估了母體尿液砷濃度與胎盤(pán)基因組甲基化和羥甲基化水平、胎盤(pán)PDGFB含量及出生體重之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示，小于胎齡兒(small for gestational age , SGA)嬰兒的母體尿液砷濃度高于適于胎齡兒（appropriate for gestational age，AGA）嬰兒。
SGA嬰兒的母體血清α-KG含量低于AGA嬰兒，母體尿液砷濃度與血清α-KG含量呈顯著負(fù)相關(guān)。胎盤(pán)基因組5mC在AGA和SGA嬰兒之間無(wú)差異，但SGA嬰兒的胎盤(pán)基因組5hmC顯著低于AGA嬰兒。此外，SGA嬰兒的胎盤(pán)PDGFB含量低于AGA嬰兒。進(jìn)一步分析顯示，母體尿液砷濃度與胎盤(pán)PDGFB含量呈顯著負(fù)相關(guān)，胎盤(pán)PDGFB含量與胎兒出生體重呈正相關(guān)。
結(jié)論和啟示
研究揭示了砷暴露對(duì)胎盤(pán)血管生成的抑制作用，并闡明了其潛在的分子機(jī)制，即砷暴露通過(guò)抑制TET活性和α-KG含量，改變Pdgfb基因啟動(dòng)子的甲基化和羥甲基化模式，作用PDGFB表達(dá)下調(diào)，最終抑制胎盤(pán)血管生成。
ACE-seq技術(shù)在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，主要用于檢測(cè)Pdgfb基因啟動(dòng)子區(qū)域的DNA羥甲基化水平。通過(guò)ACE-seq，研究人員能夠精準(zhǔn)分析砷暴露對(duì)Pdgfb基因啟動(dòng)子羥甲基化模式的影響。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠高通量、高精度地檢測(cè)DNA修飾狀態(tài)，尤其是在研究表觀遺傳修飾變化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的影響方面。在本研究中，ACE-seq技術(shù)幫助揭示了砷暴露如何通過(guò)改變Pdgfb基因啟動(dòng)子的羥甲基化模式來(lái)影響PDGFB的表達(dá)，從而為理解砷暴露對(duì)胎盤(pán)血管生成的破壞性提供了重要分子機(jī)制。
參考文獻(xiàn)：
Zhang Y, Song YP, Wu HY, Zhong FJ, Xue H, Fan YJ, Zhang C, Xu DX. Prenatal arsenic exposure disrupts placental angiogenesis by altering Pdgfb promoter epigenetic modification. J Hazard Mater. 2025 May 26;494:138736. doi: 10.1016/j.jhazmat.2025.138736.
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