Biological maturation drives the hepatic-to-renal switch in erythropoietin production at birth

《eBioMedicine》：Biological maturation drives the hepatic-to-renal switch in erythropoietin production at birth

　　

背景：促红细胞生成素（EPO）对红细胞生成至关重要，其产生在出生后从胎儿肝脏向肾脏转移。这种肝到肾的转变是新生儿适应的标志，但氧气暴露与内在发育过程的相对贡献尚不清楚。方法：研究人员研究了89名新生儿（发育年龄29–56周； chronological age 1–92天）的血浆EPO异构体谱。基于等电聚焦模式将异构体分类为肝样或肾样。将谱图与发育年龄和chronological age相关联，以评估氧气暴露与成熟的影响。同时，将人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化为肝类器官并在低氧或常氧条件下培养。测量分化过程中的转录组和EPO mRNA表达，以评估发育和氧依赖性调节。结果：新生儿EPO谱随发育年龄增加从肝样逐渐转变为肾样。这种转变与大气氧暴露时间无关；尽管持续暴露于氧气中，早产儿在出生后数周内仍保留肝样谱。细胞实验中，未成熟肝细胞在低氧下强力表达EPO，但随着肝细胞成熟，无论氧张力如何，表达均急剧下降。维持肝细胞的未成熟状态可能对低氧反应性和EPO产生至关重要。解读：这些发现表明，内在肝脏成熟而非氧合作用决定了出生后肝源性EPO的沉默。阐明这一过程可能支持旨在重新激活胎儿样肝EPO产生的新型治疗策略，以治疗贫血，特别是针对早产儿和慢性肾病等肾EPO产生不足的情况。

论文解读：生物成熟驱动出生时促红细胞生成素产生的肝至肾切换

研究背景与立题依据

促红细胞生成素（Erythropoietin, EPO）是调节红细胞生成的关键糖蛋白激素。在胚胎发育过程中，EPO主要由肝脏合成，而出生后则转为主要由肾脏间质细胞产生，这一“肝-肾切换”现象是新生儿生理适应的重要里程碑。长期以来，科学界普遍认为出生后肺呼吸启动导致的血氧分压升高是抑制肝脏EPO产生并触发肾脏接替的主要诱因。然而，这种基于环境氧暴露变化的解释模型在逻辑上存在缺口，因为早产儿即使在出生后长时间暴露于大气氧中，其EPO产生模式的转变仍存在显著延迟。这表明除了氧气因素外，可能存在由发育生物学程序控制的、更为本质的内在成熟机制在调控这一切换过程。为了厘清氧气暴露与内在发育成熟在这一过程中的相对贡献，由Salam Idriss、Laurent Martin及Betty Gardie等人组成的研究团队开展了此项研究，相关成果发表在《eBioMedicine》杂志。

关键技术方法概述

本研究采用了临床样本分析与体外细胞模型相结合的策略。在临床部分，研究人员回顾性收集了89名发育年龄在29至56周之间的新生儿残余血浆样本，利用等电聚焦-聚丙烯酰胺凝胶电泳（IEF-PAGE）技术区分肝源性（肝样）和肾源性（肾样）EPO糖型异构体，并结合发育年龄与chronological age进行统计学关联分析。在基础实验部分，研究团队利用人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化构建三维肝类器官模型，通过转录组测序（3′ SRP）和实时荧光定量PCR（RT-qPCR）技术，在常氧与低氧（1% O₂）条件下追踪肝细胞成熟过程中EPO基因的表达动力学及缺氧信号通路的状态。

研究结果详解

1. 不同发育年龄和出生后大气氧暴露时长的新生儿EPO IEF-PAGE谱分析

通过对89份新生儿血浆样本进行等电聚焦分析，研究人员观察到EPO异构体的分布模式随发育年龄呈规律性演变。根据条带位置，EPO谱被划分为“胎儿型”（肝样，主带位于碱性区3、4、5）、“混合型”和“成人型”（肾样，主带位于中性区）。数据显示，发育年龄≤37周的早产儿主要呈现胎儿型谱图，而发育年龄>49周的婴儿则显著富集成人型谱图。值得注意的是，对于发育年龄相似的新生儿，即使chronological age从出生2天延伸至3个月（即大气氧暴露时长差异巨大），其EPO谱型并未发生相应改变。例如，极早产儿在出生后数月仍保留典型的肝样EPO特征，而足月儿则表现为肾样特征。这直接证明了EPO的肝-肾切换与单纯的氧气暴露时长无关，而是严格受发育年龄的调控。

2. hiPSC分化为肝类器官过程中EPO表达动力学及其与发育成熟和缺氧信号的关系

为了在体内外验证这一发现，研究人员利用hiPSC分化的肝类器官模型进行了时序分析。转录组主成分分析（PCA）显示，样本主要沿分化时间点聚类，常氧与低氧条件在大部分时间点重叠，表明分化成熟度是驱动转录组变化的主要因素。EPO表达定量分析显示，在分化早期（约第11–13天）的未成熟肝细胞中，EPO表达量极高，且对低氧刺激敏感；然而，随着肝细胞走向成熟（第19天），无论处于常氧还是低氧环境，EPO表达均急剧下降至基线水平。重要的是，晚期成熟肝细胞虽然丧失了EPO诱导能力，但其经典的缺氧响应基因（如VEGFA、EGLN3、NDRG1等）在低氧下仍能正常上调。这表明成熟肝细胞并非全局缺氧信号受损，而是特异性地失去了EPO基因的转录响应能力。此外，已知调控EPO的转录因子（如GATA4、HNF4A等）的表达轨迹并不匹配EPO的消长规律，提示表观遗传层面的广泛重塑可能是导致EPO沉默的原因。

讨论与结论总结

本研究通过临床数据与细胞模型的相互印证，确立了“内在肝脏成熟”而非“环境氧暴露”是驱动出生后EPO产生从肝脏向肾脏切换的主导机制。这一发现修正了传统的生理学认知，解释了为何早产儿在宫外生存环境下仍需较长时间才能完成这一转换。从转化医学角度看，该研究揭示了肝脏在特定发育窗口期具有产生高活性EPO的潜能。深入理解并鉴定出调控肝源性EPO沉默的转录及表观遗传因子，将为未来重新激活成年肝脏或特定细胞群体中的胎儿样EPO表达提供理论基础。这对于开发治疗早产儿贫血及慢性肾病（Chronic Kidney Disease, CKD）相关贫血的新策略具有重要价值，有望替代外源性EPO药物，规避其潜在的血栓栓塞及肿瘤进展风险。