铜是机体必需的微量元素之一,对维持生命活动起着不可或缺的作用。作为一种重要的辅酶因子,铜参与了多种生理和生化过程,包括氧化还原反应、电子传递、能量代谢以及神经递质的合成等
[1]。在正常生理状态下,铜在体内的浓度维持在一个非常精细的平衡状态,成人血清中的铜参考值大约为(16.5±8.6) μmol/L
[2]。铜的代谢紊乱可能导致多种健康问题,既包括铜缺乏,也包括铜过量。过量的铜可以通过产生自由基及活性氧,损害细胞膜、蛋白质和DNA,进而诱发细胞凋亡和组织损伤。铜缺乏可能导致生长发育迟缓、免疫功能低下、贫血以及神经系统问题
[3]。在孕期,铜对胎儿的正常发育至关重要,尤其是对胎儿神经系统的发育和骨骼的形成具有重要影响
[4]。
研究表明,妊娠期女性的血清铜浓度会发生明显变化,以适应胎儿生长和发育的需求。在整个妊娠阶段,血清铜含量持续升高,是生理性适应机制的体现,反映了铜在胎儿发育和妊娠过程中不可或缺的生理角色
[5]。尤其在胎盘的发育过程中,血清铜含量上升
[6]。胎盘作为母体和胎儿之间物质交换的桥梁,其正常发育对胎儿的营养供应至关重要
[7]。铜在胎盘中发挥了重要的生物学功能,包括促进胎盘血管的形成和成熟、支持胎盘的氧气传输能力以及参与胎盘中神经和免疫系统的调节
[8]。胎盘的正常发育与铜的供给密切相关,铜缺乏会影响胎盘的功能,进而影响胎儿的生长和发育
[9],妊娠期铜缺乏会导致孕产妇贫血、自然流产和胎儿发育受损
[9]。有研究还表明低铜血症可能是胎盘功能障碍的指征
[10]。
胎盘作为整个孕期母体和胎儿之间的唯一连接
[11],介导着母体微量元素水平的波动对胎儿生长和健康发挥影响
[12]。滋养细胞是胎盘的主要功能单位
[13],其中,合体滋养层细胞(syncytiotrophoblast,STB)通过细胞滋养细胞(cytotrophoblast,CTB)融合而来,位于母胎界面的最外表面,执行着一些特殊的功能,例如激素和生长因子的产生和分泌、母体和胎儿间的物质交换以及天然的免疫屏障
[14-15]。大量研究表明,一些妊娠疾病,如子痫前期(pre-eclampsia,PE)和胎儿生长受限(fetal growth restriction,FGR)都和CTB融合分化为STB的过程紊乱有关
[15]。已有的研究显示,胎盘中依赖铜的酶,铜锌超氧化物歧化酶参与人滋养细胞的融合和分化,主要与合体滋养层人绒毛膜促性腺激素β亚基(Human chorionic gonadotropin beta subunit,h-CGβ)和其他激素标志物的分泌有关
[16]。
铜的代谢调节是通过一系列关键转运蛋白实现的,溶质载体家族31成员1(solute carrier family 31 member 1,SLC31A1)和铁氧还蛋白1(ferredoxin-1,FDX1)是其中的重要参与者。SLC31A1作为细胞膜上的主要铜转运蛋白,负责将外界的铜离子(Cu²⁺)从细胞外转运到细胞内,其通过与细胞膜上的其他转运蛋白共同作用,确保铜在肠道和肝脏等组织中的吸收与分布。SLC31A1不仅是铜进入细胞的关键途径,还通过调节其表达水平影响细胞内铜的储存与释放,以避免铜过量引起的细胞毒性。与此同时,SLC31A1还通过与其他铜依赖性酶的协同作用,维持细胞内铜的平衡,确保其在代谢和功能中的必需性
[17]。而FDX1则主要在细胞线粒体内发挥作用,负责线粒体内的电子传递
[18]。FDX1通过支持线粒体中三羧酸循环关键酶的脂酰化过程,调节铜在细胞内的利用
[19]。这些铜依赖性酶在细胞能量代谢和抗氧化反应中起着至关重要的作用,尤其是在维持细胞的氧化还原平衡和能量生成过程中。
已有研究提示铜可能通过影响胎盘滋养细胞合体化过程参与妊娠期的生理变化,但机制仍不清楚。因此,本研究拟进一步探讨妊娠期铜离子是否通过FDX1调控胎盘滋养细胞合体化,以揭示铜与胎盘发育之间的关系,为进一步理解妊娠期铜代谢的生物学机制提供理论基础,并为临床研究提供重要的科学支持。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 组织样本
人妊娠早期绒毛膜绒毛组织(孕5~8周)取自重庆医科大学附属第一医院妇科门诊,样本来源于3例诊断未见异常且自愿终止妊娠的手术患者,使用无菌真空抽取泵,抽取宫腔内的绒毛及蜕膜组织,及时收集于预冷的无菌磷酸盐缓冲液(phosphate-buffered saline,PBS)实验备用。所有操作均经重庆医科大学人体组织使用伦理委员会的批准(批准号:2024117),患者均已签署知情同意书。
1.1.2 实验动物
6周龄的C57BL/6N小鼠购买自北京维通利华实验动物有限公司,在重庆医科大学动物实验中心饲养。所有实验程序均严格遵守中华人民共和国《动物实验管理条例》,并已获得重庆医科大学实验动物伦理委员会的批准(伦理审批号:IACUC-CQMU-2024-0771)。
1.1.3 主要试剂
铜离子螯合剂,四硫代钼酸铵(ammonium tetrathiomolybdate,ATTM)、乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)溶液和异氟烷购买于索莱宝生物科技有限公司(Solarbio,中国上海);毛喉素(Forskolin,FSK)购买于上海医学化学快讯公司(MedChemExpress,中国上海);人胎盘滋养细胞系BeWo细胞培养基购自于美国模式培养物研究所(ATCC,美国);限制性核酸内切酶BsmBI和快速T4连接试剂盒购买于纽英伦生物技术有限公司(New England Biolabs,美国);RIPA裂解液购买于赛文创新生物科技有限公司(Seven Innovation,中国北京);Trizol试剂、反转录试剂和定量聚合酶链反应(quantitative polymerase chain reaction,qPCR)试剂购买于塔克拉生物技术有限公司(Takara,日本);h-CGβ鼠源一抗和MCT4鼠源一抗购买于圣克鲁斯生物科技有限公司(Santa Cruz,玻利维亚);FDX1兔源一抗、Ck7鼠源一抗、HLA-G鼠源一抗和MCT1兔源一抗购买于武汉三鹰生物技术有限公司(Proteintech,中国武汉);ACTB鼠源一抗购自于博士德生物工程有限公司(Boster,中国武汉);鼠源二抗、兔源二抗、荧光二抗和Hoechst 33342购买于美国英杰生命技术有限公司(Invitrogen,美国);Triton X-100溶液购买于西格玛奥德里奇贸易有限公司(Sigma-Aldrich,美国)。
1.2 方法
1.2.1 细胞培养
人胎盘绒毛膜癌细胞系BeWo细胞购自于美国ATCC公司,采用含有15%血清的F-12K培养基培养在37 ℃、5% CO2的培养箱中。诱导合体化时,待细胞密度达80%后,在培养基中添加浓度为25 μmol/L的毛喉素(forskolin,FSK),诱导48 h。ATTM处理时,当细胞完全贴壁且密度达50%后,添加不同浓度的ATTM,处理48 h。
1.2.2 细胞转染
采用双靶点构建SLC31A1和FDX1基因 CRISPR-Cas9 KO载体。靶点序列合成于华大基因股份有限公司,序列如
表1。
将上述寡聚核苷酸序列退火后,连接到经限制性核酸内切酶BsmBI切开并胶回收的线性化载体LentiCRISPR-V2上,构建SLC31A1和FDX1基因CRISPR-Cas9 KO载体。FDX1过表达质粒购自于淼灵生物公司。将上述质粒分别与包装质粒pSPAX2和pVSVG共转染于293T细胞,转染8 h后,更换新鲜培养基,换液36 h后,用0.45 μm的滤器收集病毒液,感染BeWo细胞,然后用对应的抗性因子筛选细胞,构建稳定的敲除或过表达细胞系。
1.2.3 蛋白免疫印迹
使用RIPA裂解液提取BeWo细胞总蛋白,冰上裂解10 min,然后将蛋白质与5倍的上样缓冲液混合,在100 ℃下加热10 min使其变性。蛋白质样品在12.5% SDS-PAGE凝胶上分离,然后转移到PVDF膜上。将PVDF膜用5%脱脂牛奶于37 ℃封闭2 h,然后在4 ℃下过夜孵育一抗。一抗孵育后,在室温下用Tris缓冲盐吐温溶液(Tris-buffered saline with Tween,TBST)洗膜3次,每次15 min,然后用HRP结合的二抗在37 ℃下孵育1 h,再用TBS-T缓冲液洗膜3次,每次10 min,最后使用化学发光成像系统(Bio-Rad)观察蛋白条带。
1.2.4 实时荧光定量聚合酶链反应(real-time quantitative polymerase chain reaction,qPCR)
使用TRIzol试剂从BeWo细胞中分离总RNA,然后使用反转录试剂反转录1.2 μg RNA,合成cDNA,随后在CFX96 Real-Time PCR系统上进行实时定量PCR。基因表达水平以GAPDH为参照进行归一化,相对表达量采用2
-ΔΔCt 法进行量化。引物合成于华大基因股份有限公司,序列见
表2。
1.2.5 免疫组织荧光
人早孕胎盘绒毛或小鼠胎盘组织石蜡切片在二甲苯中脱蜡,之后在酒精中进行梯度水化,然后在EDTA溶液中进行抗原热修复。用0.3% Triton X-100溶液对组织进行通透,再经5%的牛血清蛋白在37 ℃封闭1 h,减少非特异性结合后,在4 ℃过夜孵育一抗。第2天,用TBST溶液冲洗切片并与荧光标记的二抗在37 ℃孵育1 h,随后使用Hoechst 33342染核5 min,最后使用激光共聚焦显微镜捕获高分辨率荧光图像。
1.2.6 动物实验
将性成熟的雌雄小鼠按2∶1的比例配对合笼,每天检查阴道栓,并将阴道栓发现日记录为妊娠第1天(gestational day 1,GD1)。然后将妊娠雌鼠随机分配到3个组中的1组:对照组接受PBS,2个实验组分别接受ATTM处理。剂量分别为30 mg/(kg·d)(低剂量)和60 mg/(kg·d)(高剂量)。每组包括8只妊娠小鼠,随机分配。从GD1开始,每组小鼠每天上午10:00接受口服灌胃处理,灌胃容积为10 mL/kg体质量。在妊娠第15天(GD15),小鼠经2%的异氟烷麻醉后,通过眼眶静脉取血。采血后,对小鼠进行脱颈处死,并采集胎盘和胎儿样本。获取胎盘和胎儿形态的高分辨率图像以记录结构差异,记录胎儿和胎盘重量以评估生长参数。胎盘组织一部分用4%多聚甲醛固定用于组织学研究,另一部分用液氮速冻并储存于-80 ℃用于后续分析。
1.3 统计学方法
采用GraphPad Prism 9软件进行统计分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差(x±s)表示,2组间比较采用独立样本t检验,多组间比较采用单因素方差分析。检验水准设为α=0.05。
2 结果
2.1 铜离子缺乏抑制胎盘滋养细胞合体化
为探究铜离子对滋养细胞合体化的影响,本课题组在FSK诱导BeWo细胞合体化的模型中添加ATTM,阻止铜离子被细胞利用。蛋白免疫印迹结果显示,随着ATTM的加入,h-CGβ的表达逐渐受到抑制(
图1A)。qPCR结果显示,ATTM的加入明显抑制了滋养细胞融合关键标记因子h-CGβ(ATTM 4 μmol/L组:
P=0.003,vs. 溶剂对照组;ATTM 8 μmol/L组:
P0.001,vs. 溶剂对照组)和SDC1(ATTM 4 μmol/L组:
P=0.002,vs. 溶剂对照组;ATTM 8 μmol/L组:
P=0.001,vs. 溶剂对照组)的mRNA表达水平(
图1B)。
为进一步验证妊娠期缺铜会抑制BeWo细胞合体化,在BeWo细胞上敲除了铜离子转运蛋白SLC31A1,蛋白免疫印迹结果证实了敲除效果(
图1C)。与对照细胞相比,SLC31A1敲除后,BeWo细胞诱导合体化的能力受损,h-CGβ表达受到抑制(
图1D)。这提示铜离子对于滋养细胞合胞体的形成较为重要。
2.2 FDX1的表达与胎盘滋养细胞合体化关系密切
为探究FDX1和胎盘滋养细胞合体化的关系,本课题组使用不同浓度的FSK诱导BeWo细胞合体化,经蛋白免疫印迹检测,随着FSK浓度的升高,BeWo细胞合体化的程度增加,FDX1的表达也逐渐上调(
图2A)。qPCR也再次印证了这一结果(
图2B),相比于FSK 0 μmol/L组,FSK 12.5、25、50 μmol/L组的FDX1(
P0.001,
P0.001,
P0.001 vs. 0 μmol/L组)都逐渐上调,和h-CGβ(
P0.001,
P0.001,
P0.001 vs. 0 μmol/L组)与SDC1(
P0.001,
P0.001,
P0.001 vs. 0 μmol/L组)的表达模式相一致。在FSK诱导BeWo细胞合体化不同时间点收样的蛋白质样本也进一步说明了FDX1的表达会随着BeWo细胞合体化的程度升高而增加(
图2C),RNA检测结果也相同(
图2D),相比于FSK 0 h组,FSK 12、24、48 h组的FDX1(
P0.001,
P0.001,
P0.001 vs. 0 h组)都逐渐上调,和h-CGβ(
P0.001,
P0.001,
P0.001 vs. 0 h组)与SDC1(
P=0.022,ns,
P0.001 vs. 0 h组)的表达模式相一致。
此外,在FDX1敲除的细胞中,FSK诱导BeWo合体化的能力受损,即h-CGβ的表达受到抑制(
图2E、F)。为了在人组织样本上验证FDX1和滋养细胞合体化的关系,本课题组在人早孕胎盘绒毛上使用免疫组织荧光对FDX1进行了定位和标记,结果显示,FDX1主要在人胎盘绒毛的合体滋养层细胞中表达,在细胞滋养层和绒毛外滋养细胞中几乎不表达(
图2G),这进一步说明了FDX1的表达对于胎盘滋养细胞合胞体形成至关重要。
2.3 铜离子通过FDX1调控胎盘滋养细胞合体化
为了探究妊娠期铜离子是否通过FDX1影响胎盘滋养细胞合体化,本课题组使用ATTM处理野生型的BeWo细胞,蛋白免疫印迹结果显示,FDX1的表达受到抑制(
图3A)。在铜离子转运蛋白SLC31A1敲除的BeWo细胞中也观察到了同样的现象(
图3B)。为了进一步证实铜离子调控FDX1在BeWo细胞合体化中的作用,在SLC31A1敲除的BeWo细胞中过表达FDX1(
图3C),结果显示,BeWo细胞的合体化能力得到了一定程度地恢复(
图3D)。
2.4 妊娠期缺铜小鼠模型的胎盘和胎儿发育以及滋养细胞融合受到损害
为了在体内进一步验证妊娠期铜离子缺乏对胎盘滋养细胞合体化的影响。本课题组利用铜离子螯合剂ATTM构建了妊娠期铜缺乏小鼠模型。使用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)检测血清铜水平,结果显示,在60 mg/(kg·d)的剂量组中,血清铜明显降低(与溶剂对照组相比,
P=0.015;
n=3),证实了模型构建成功(
图4A)。与对照组相比,铜缺乏组中小鼠胎儿的形态学评估显示胎儿发育明显受限。具体来说,铜缺乏组小鼠胎儿的顶臀长明显缩短(
图4B),小鼠胎儿体质量也较低(
图4C)(
F=39.370,
P0.001),表明胎儿生长受到抑制。此外,以胎儿与胎盘重量比计算的胎盘效率在铜缺乏组中明显降低(
图4D)(
F=29.780,
P0.001),表明小鼠胎盘功能受损。小鼠胎儿生长受限(fetal growth restriction,FGR)是指新生儿出生体质量低于同胎龄新生儿体质量的第10百分数,铜缺乏组中FGR的发生率明显升高,尤其是在ATTM剂量较高的情况下(
图4E)。
小鼠胎盘合体滋养层分为Syn1层和Syn2层,用于分离胎儿血管和母体血窦,单羧酸转运蛋白1(monocarboxylate transporter 1,MCT1)和单羧酸转运蛋白4(monocarboxylate transporter 4,MCT4)是分别在这2层合体滋养层特异性表达的蛋白,组织免疫荧光结果显示,妊娠期缺铜组小鼠合体滋养层这2种蛋白表达受到抑制(
图5)。
3 讨论
妊娠期母体血清铜水平持续升高,一方面是为了满足胎儿的生长需求,另一方面也是母体为妊娠过程中增加的代谢需要和激素变化所作出的适应性改变
[6]。本研究表明妊娠期血清铜水平的升高可能通过影响胎盘滋养细胞FDX1的表达,进而影响胎盘滋养细胞合体化,以满足胎盘发育的需求。
作为机体必需的微量营养元素,大量流行病学数据表明,妊娠期铜稳态失调会造成一系列不良妊娠结局的发生
[20-22]。本研究结果显示,妊娠期铜缺乏会抑制胎盘滋养细胞融合,损害胎盘发育,最终造成胎儿生长受限的发生,这一结果证实了前人的发现。作为铜运输过程的关键基因,SLC31A1对于机体和细胞摄取铜至关重要。最新的观点还表明,SLC31A1完全缺失会导致小鼠生长缺陷,甚至胚胎致死
[23],这提示了铜离子对于胎儿发育的重要性。已有研究提示了妊娠期铜水平不足可能与胎盘功能障碍相关
[10],很多观点都强调了缺铜可能会损害胎盘抵抗氧化应激的能力,这种破坏会导致活性氧(reactive oxygen species,ROS)的积累,形成与妊娠并发症,如子痫前期(pre-eclampsia,PE)和宫内生长受限(intrauterine growth restriction,IUGR)相关的炎症环境
[24-25]。而本研究从体内外实验都证实了妊娠期铜离子对于胎盘滋养细胞合体化的关键意义,铜缺乏会抑制胎盘滋养细胞合体化,而合体滋养层在整个妊娠过程中负责母胎间的物质交换
[26],对于健康妊娠至关重要。本课题组的发现为妊娠期铜稳态失调与妊娠疾病的相关性研究提供了新的见解,也提示了临床上潜在的干预手段。
FDX1对于胚胎发育至关重要,FDX1完全缺失会导致胚胎死亡
[27]。本研究结果显示,FDX1的表达与BeWo细胞合体化的程度高度相关,而且FDX1在人早孕胎盘绒毛中定位于合体滋养层,这突出了FDX1在胎盘滋养细胞合体化过程中的重要意义。但FDX1对于胚胎发育的作用是否通过影响胎盘滋养细胞分化来实现,还需进一步验证。本课题组的研究还表明铜离子会影响胎盘滋养细胞FDX1的表达,这与之前在胃癌细胞上的研究结果一致
[28]。在铜转运蛋白SLC31A1敲除的BeWo细胞中回补FDX1,BeWo细胞合体化的能力会得到恢复,这更加明确了妊娠期铜离子会通过FDX1来影响胎盘滋养细胞合胞体的形成。
作为线粒体铁氧还蛋白之一,FDX1对于类固醇生成有着高度特异性
[18]。类固醇激素,如孕酮和雌二醇对于妊娠的维持和建立意义重大
[29],这提示胎盘合体滋养层FDX1可能通过调控类固醇激素的合成来影响胎盘的发育。在铜死亡的研究中,研究人员还发现FDX1对三羧酸循环关键酶的脂酰化修饰意义重大
[18-19],之前的研究强调了三羧酸循环对于滋养层分化的关键作用
[30],这提示了FDX1可能通过影响三羧酸循环关键代谢物的产生来影响胎盘滋养细胞合体化。上述观点为临床上铜代谢失调相关疾病患者的不良妊娠提供了崭新的治疗方向,例如,针对威尔逊氏症(Wilson disease)和门克斯病(Menkes disease),除传统的孕期驱铜和补铜治疗外
[31-32],本课题组的研究提示未来可能通过靶向FDX1基因,从分子水平上逆转铜稳态失调所造成的异常妊娠情况。
综上,本研究提示,妊娠期间血清铜缺乏可造成胎盘功能障碍和胎儿生长发育受限,FDX1可能在其中发挥一定的作用,也提示了维持铜稳态可能是不良妊娠结局干预的潜在手段。
重庆市教育委员会科学技术研究资助项目(KJQN202400425)