供稿：岗方印，武汉大学
校稿：余思宇，武汉大学
推送：余思宇，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在BMC medicine上，标题为Chromatin modifier developmental pluripotency associated factor 4 （DPPA4） is a candidate gene for alcohol-induced developmental disorders，通讯作者为赫尔辛基大学医学与临床遗传学系的N. Kaminen‑Ahola教授。
母亲怀孕期间饮酒引发胎儿躯体、行为和神经发育的改变统称为胎儿酒精谱系障碍（FASD），产前酒精暴露（PAE）可能通过改变胚胎发育过程中的相关基因来影响胚胎发育，从而导致胎儿的发育障碍和出生缺陷。此研究中，作者推测PAE诱导的表观遗传变化影响了胚胎的发育。通过对胎盘进行全基因组DNA甲基化（DNAm）分析，发现发育多能性相关因子4（DPPA4）基因的甲基化水平在早期酒精暴露的胎盘中降低。
表1 PAE组和对照组新生儿及母亲的一般特征
作者首先分析了PAE孕妇的新生儿（80例）与对照新生儿的一般特征，与对照组相比，PAE新生儿的出生体重、身高及头围均显著小于对照组（Table1）。PAE孕妇妊娠的胎龄也显著缩短，且PAE孕妇孕前身体质量指数（BMI）显著高于对照组。此外，作者发现妊娠早期（妊娠期7周）PAE组新生儿的头围显著小于对照组（Table1）。
图1 胎盘中与PAE相关的差异DNA甲基化
作者通过甲基化芯片分析胎盘组织中与PAE相关的DNA甲基化，与对照胎盘之间相比，差异的甲基化位点有689个，（481个低甲基化位点和208个高甲基化位点）。筛选出了三个相关的基因，DPPA4、叉头框P2基因（FOXP2）和速激肽受体3（TACR3）（图1b），这些基因均在胚胎发育过程中发挥重要作用。在所有PAE胎盘中，均发现基因不同区域的甲基化水平降低，特别是在早期PAE亚组胎盘的调控区域（图1c）。此外，PAE组新生儿胎盘中的整体DNA甲基化水平明显降低。随后，作者将与PAE相关的差异甲基化区域进行GO富集分析，发现主要与趋化性、胚胎胎盘形态发生、干细胞增殖中的Wnt信号通路以及壳核和尾状核发育的调节相关（图2）。
图2 差异甲基化区域的富集分析
随后，为了验证甲基化芯片分析的结果，作者对每个新生儿胎盘、白细胞和颊上皮细胞中的DPPA4、FOXP2和TACR3进行了靶向甲基化分析。所有PAE胎盘中的DPPA4的甲基化水平有显著差异（cg1335876, cg1483696, cg0725382, cg0888133）（图3a），而FOXP2和TACR3的甲基化水平差异不明显。
图3 潜在PAE标志物DPPA4、FOXP2和TACR3的甲基化水平
为研究全基因组与PAE相关的基因表达情况，作者对胎盘组织进行了RNA测序，发现有114个差异表达基因（41个下调，73个上调）（图4a、b）。通过富集分析，这些差异基因主要与线粒体功能和细胞呼吸有关（图4c）。这与之前的研究结果相似，酒精暴露会引起氧化应激以及线粒体功能障碍。而DPPA4、FOXP2和TACR3的表达水平低于检测水平。
图4 胎盘中PAE相关的差异基因表达
为排除人体体内相关的潜在混杂因素，作者通过细胞实验研究酒精暴露对人胚胎干细胞的影响。酒精暴露48小时后，进行全基因组DNA甲基化和基因表达分析。酒精处理后，有10888个差异甲基化位点。其中，3700个被认为是显著的差异甲基化位点（1879个低甲基化，714个高甲基化）。体外酒精暴露与胎盘中观察到的整体DNA甲基化水平降低一致，且在基因的CpG岛位置观察到甲基化水平显著降低（图5b）。此外，在酒精暴露的人胚胎干细胞中，性别决定区Y-box2（SOX2）以及DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B的表达显著下调（图5e）。
图5 酒精暴露对胚胎干细胞的影响
DPPA2和DPPA4编码的核因子参与干细胞多能性的维持，与早期胚胎发育密切相关。编码的蛋白质可以结合DNA并被认为可以修饰染色质。由于DPPA2和DPPA4在早期胚胎发育中的功能，作者探讨了酒精暴露是否会影响它们的甲基化水平及其在胚胎干细胞以及体外分化为三个胚层后的表达情况。结果表明，酒精诱导胚胎干细胞中DPPA2表达水平显著上调，但DPPA4没有变化（图6a）。这与DNA甲基化的结果一致，酒精处理后，DPPA2的启动子区甲基化水平降低，而DPPA4甲基化水平变化不明显（图6b）。酒精暴露人胚胎干细胞分化的内、中和外胚层细胞的结果表明，内胚层细胞中DPPA2和DPPA4的启动子区甲基化水平与胚胎干细胞的结果相似（图6d）。在中、外胚层细胞中，DPPA4的启动子区甲基化水平显著降低，这与胚胎组织中的结果一致（图6d、e）。DPPA4在早期发育中具有重要作用，其启动子区甲基化的降低可能参与其在早期发育中的调控。
图6 酒精暴露对人胚胎干细胞和分化细胞中DPPA2和DPPA4的影响
最后，作者通过比较胎盘和体外胚胎干细胞的RNA测序结果与DNA甲基化数据，筛选出的关键基因参与神经发育、轴突发育过程并与神经发育障碍相关。这些基因可以作为孕期酒精暴露致胎儿酒精谱系障碍的潜在生物标志物。
综上，此研究结果揭示了早期酒精暴露对人类胎盘和体外培养的胚胎干细胞的影响，同时还发现了酒精诱导机体发育障碍的关键基因，并揭示了产前酒精暴露的潜在生物标志物。
文章编号：426
原文链接：
https://bmcmedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12916-022-02699-1
原文引用：
P. Auvinen, J. Vehviläinen, H. Marjonen, V. Modhukur, J. Sokka, E. Wallén, K. Rämö, L. Ahola, A. Salumets, T. Otonkoski, H. Skottman, M. Ollikainen, R. Trokovic, H. Kahila, N. Kaminen-Ahola*. Chromatin modifier developmental pluripotency associated factor 4 (DPPA4) is a candidate gene for alcohol-induced developmental disorders. BMC.Med., 2022, 2, 495
