《Advanced Science》：Dynamics of the Mammalian Placental Metabolome in Placentogenesis and Embryonic Development
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本研究通过构建小鼠E8.5–E14.5胎盘的高分辨率代谢组-转录组图谱，首次系统揭示了胎盘代谢在胎盘发生过程中的三个动态状态及其关键代谢物NAD(H)通过加速体节发生时钟和促进祖细胞增殖来调控胚胎体轴延伸的新机制，为理解胎盘代谢对胚胎发育的调控提供了宝贵资源。
胎盘代谢组动态图谱与胚胎发育调控
研究背景
哺乳动物胎盘是一个具有多重功能的重要器官，包括营养和废物交换、免疫耐受以及抵御病原体等。小鼠胎盘发生最早始于胚胎4细胞阶段，经历一系列复杂的细胞命运决定和组织形态发生事件。尽管胎盘代谢对于胎盘和胚胎发育都至关重要，但不同发育阶段胎盘的代谢特征及其在胎盘发生和胚胎发育中的调控作用仍不清楚。
研究方法
为了阐明胎盘发生过程中的动态代谢组及其对胚胎发育的影响，研究人员收集了E8.5–E14.5的小鼠胎盘样本进行代谢组和转录组测序分析。共收集501个小鼠胎盘样本，通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)进行非靶向代谢组学分析，获得了4,366种代谢物的完整数据集。
代谢状态的三阶段划分
主成分分析(PCA)和层次聚类分析结果显示，E8.5–E14.5的胎盘样本可以清晰地分为三个代谢状态：E8.5、E9.5–10.5和E11.5–14.5。这一划分与组织学特征高度一致，揭示了胎盘代谢特征在E8.5到E9.5以及E10.5到E11.5的两个显著转变期。
第一个转变期(E8.5到E9.5)伴随着胎盘迷路的形成，胎儿血管和母体血液开始灌注迷路，标志着从组织营养向血液营养的初步过渡。第二个转变期(E10.5到E11.5)则伴随着胎盘迷路和胎儿血管网络的进一步复杂化，母体血液灌注更加丰富，表明母胎界面交换能力的增强。
关键代谢物的鉴定
通过差异丰度代谢物(DAMs)分析，研究人员发现烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(H))、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和L-谷氨酸(Glu)在E8.5–14.5期间发生显著变化。其中NAD(H)的变化最为显著，在E8.5到E9.5期间急剧增加。
通路富集分析显示，与E8.5相比，E9.5–10.5阶段脂肪酸生物合成、α-亚麻酸/亚油酸代谢和赖氨酸降解等代谢通路显著富集。而在E11.5–14.5与E8.5的比较中，富集通路转向色氨酸/卟啉/β-丙氨酸代谢、苏氨酸和2-氧代丁酸降解等通路，这些变化与妊娠中期对氧处理和电子转移的需求相适应。
转录组验证代谢特征
转录组测序结果与代谢组分析高度一致，同样将胎盘样本分为三个阶段特异性簇。差异表达基因(DEGs)分析显示，从E8.5到E14.5，差异表达基因数量逐渐增加，表明胎盘经历了渐进性的阶段依赖性转录变化。
在E8.5到E9.5阶段，代谢相关基因的KEGG注释主要富集于脂质和碳水化合物代谢相关通路，与同一阶段富集的DAMs主要类别一致。参与NAD(H) redox调控的基因如Pdhb、Pdha2、Idh3a等的表达在E9.5阶段上调，为NAD(H)积累提供了分子基础。
NAD(H)促进胚胎体轴延伸
为了探究胎盘NAD(H)急剧增加对胚胎发育的影响，研究人员在体外培养(IVC)的E7.5胚胎中添加NAD(H)。结果表明，10 μM NAD(H)处理显著促进了胚胎体长的延伸，但对卵黄囊直径和心率没有显著影响。
进一步研究发现，NAD(H)处理的胚胎倾向于表现出更高的平均体节数量。通过建立小鼠胚胎干细胞(mESC)诱导的体节前中胚层(PSM)样祖细胞模型，证实NAD(H)通过提高线粒体NAD(H) redox比率来加速体节发生时钟。
机制探究显示，NAD(H)处理显著提高了PSM样祖细胞中全细胞NAD水平和NAD(H) redox比率，但对胞质NAD(H) redox比率的代表指标丙酮酸/乳酸比率没有显著影响，表明NAD(H)对体节发生时钟的调控作用主要源于线粒体。
NAD(H)增强祖细胞增殖能力
除了加速体节发生时钟外，研究发现NAD(H)还能促进PSM样祖细胞的增殖。3D图像重建显示，NAD(H)处理组的体节体积显著增加，每个体节的平均细胞数量也呈现增加趋势。
在分子水平上，NAD(H)显著上调了PSM样祖细胞中增殖标志物Pcna和Ki67的转录和蛋白表达水平。CCK-8和MTT分析进一步证实NAD(H)处理显著增强了PSM样祖细胞的增殖能力。RNA-seq分析发现，NAD(H)处理组的差异表达基因富集于有丝分裂纺锤体、G2/M检查点、PI3K–AKT–MTOR和TGF-β信号模块，为NAD(H)促进增殖提供了分子证据。
其他代谢物的功能验证
除了NAD(H)外，研究还评估了其他胎盘DAMs对胚胎发育的影响。10 μM Glu处理显著增加了IVC胚胎的卵黄囊直径和体长，但对心率没有显著影响。相反，10 μM FAD处理减少了卵黄囊直径和体长，而PLP补充对胚胎生长没有显著影响，表明不同的胎盘代谢物对胚胎发育具有特异性调控作用。
研究意义与展望
该研究构建的小鼠胎盘代谢组-转录组图谱为理解胎盘发生提供了宝贵资源，不仅揭示了胎盘代谢的动态特征，还阐明了NAD(H)通过调控体节发生时钟和祖细胞增殖来促进胚胎体轴延伸的新机制。这些发现为了解胎盘代谢在生理和病理情况下调控母胎营养交换的机制提供了新视角，也有助于建立更稳健、更长久的胎盘类器官、胚胎和类胚胎体外培养系统。
未来研究可在胎盘类器官和动物模型中进一步验证内源性DAMs对滋养层细胞增殖分化的调控作用，并利用母胎双通道胎盘芯片评估DAMs的跨屏障运输及其对胚胎类器官发育表型的影响。此外，利用胎盘类器官模拟先兆子痫等病理状态，可以评估DAMs在疾病发病机制中的贡献。
研究局限性
需要指出的是，本研究采用的窝水平混合策略虽然提高了分析鲁棒性和阶段间差异的敏感性，但可能掩盖了胎盘间的变异性，且无法进行性别分层分析。未来的研究将在可行的情况下对雄性和雌性胎盘进行单独分析而不进行混合。
