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Cell Stem Cell | DNMT3L重塑人类胎盘的DNA甲基化组

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-24 00:06

正文

撰文 | 格格

胎盘是人类妊娠期间母体和胎儿之间进行物质交换的器官，其正常发育和功能对母婴健康至关重要。胎盘的发育过程中，滋养层细胞起着至关重要的作用，它们从滋养层细胞（TE）分化而来，并最终形成合体滋养层细胞（STB）和绒毛外滋养层细胞（EVT）【1-2】。滋养层细胞的异常发育和功能与多种妊娠并发症相关，例如妊娠高血压、胎儿生长受限和流产。胎盘的DNA甲基化模式非常独特，存在广泛的部分甲基化区域（PMDs）。胎盘的甲基组在哺乳动物中是保守的【3】，与许多癌症类型共享，并广泛研究其与妊娠并发症的联系。PMDs在滋养层细胞的发育过程中起重要作用，但其在人类滋养层干细胞（hTSCs）中的状态尚不清楚。hTSCs是从早期妊娠胎盘或早期胚胎发育的囊胚中成功培养出来的细胞，可以自我更新、表达滋养层细胞标志物，并分化为STB和EVT。hTSCs成为研究早期人类胎盘发育功能研究的理想模型。

DNA 甲基化是一种表观遗传标记，通过阻断转录因子的结合或招募表观遗传沉默因子到基因组中的基因和内源性病毒元件来发挥其功能。在早期胚胎发育中，DNA甲基化主要依赖于新生的DNA甲基转移酶3A（DNMT3A）和3B（DNMT3B）【4-5】。DNMT3L 是一种催化活性不活跃的辅因子，可以与DNMT3A和DNMT3B形成复合物，并增强其催化活性【6】。尽管Dnmt3l敲除小鼠发育正常且可以存活到成年，但最近的研究表明，DNMT3L与DNMT3A和3B一起在滋养层中建立DNA甲基化是必需的。DNMT3L在原始hESCs和早期人类囊胚中表达，表明它可能在人类胚胎中也需要进行新生DNA甲基化。

2025年1月8日，来自英国剑桥大学洛克滋养层研究中心的Courtney W. Hanna研究团队和西班牙菲利佩王子研究中心的Vicente Perez-Garcia研究团队合作在Cell Stem Cell杂志发表题为Ectopic expression of DNMT3L in human trophoblast stem cells restores features of the placental methylome的研究论文，该研究揭示了人类滋养层干细胞中DNA甲基化模式的异常，并证实了DNMT3L在恢复胎盘PMDs和调控滋养层细胞分化的关键作用。

首先，研究人员比较了 hTSCs、滋养层细胞（TE）和妊娠早期的滋养层细胞（CTB）的DNA甲基化模式，发现hTSCs的DNA甲基化水平低于TE和CTB。这意味着hTSCs的基因组甲基化程度较低，与TE和CTB存在显著差异。研究人员进一步发现hTSCs中缺乏胎盘PMDs，这是CTB中普遍存在的20%–60%甲基化区域，在hTSCs中完全缺失。PMDs的缺失表明hTSCs 中基因组的部分区域可能处于一种特殊的“开启”状态，这可能与它们的生物学特性有关。此外，研究人员发现即使在培养条件、氧气水平或培养来源等方面发生变化时，hTSCs中的 PMDs也没有得到恢复，表明PMDs的缺失可能与hTSCs的内在特性有关，而不仅仅是培养条件的影响。

研究人员发现，hTSCs中甲基化的DNA区域与转录的H3K36me3标记的基因体重叠，表明DNA甲基化可能由H3K36me3沿基因体沉积的转录景观决定。H3K36me3是一种活性染色质标记，表明基因处于活跃状态。此外，hTSCs中基因体DNA甲基化水平与基因表达水平呈正相关，这与hESCs中的观察结果一致，意味着基因体的甲基化状态可能与基因表达调控密切相关。研究人员还发现DNMT3B在hTSCs中高度表达，而DNMT3L没有检测到表达，这与早期胚胎发育中DNMT3L的表达模式一致。DNMT3B是一种新生的DNA甲基转移酶，而DNMT3L是一种催化活性不高的辅助因子，可以增强DNMT3A和DNMT3B的催化活性。

研究人员通过在hTSCs中过表达DNMT3L，并发现DNMT3L的异位表达可以显著提高hTSCs 的DNA甲基化水平，使其更接近CTB。DNMT3L的过表达可以特异性地恢复胎盘PMDs的部分甲基化水平，并且PMDs中H3K27me3的富集程度也有所提高。然而，即使DNMT3L表达后，印记区域的等位基因甲基化模式也无法恢复。此外，DNMT3L-OE hTSCs的形态与对照hTSCs相似，增殖速率没有显著差异。RT-qPCR分析显示，DNMT3L-OE hTSCs中干细胞和滋养层细胞的标志物表达略有上调。

进一步，研究人员发现DNMT3L-OE hTSCs可以被诱导分化为EVT和STB，并且与对照hTSCs相比，它们在EVT标志物表达方面没有显著差异。研究人员还发现，DNMT3L-OE hTSCs 可以被毛喉素诱导分化为STB，并且与对照hTSCs相比，它们在STB 转录组表达方面没有显著差异。最后，在器官培养中，DNMT3L-OE hTSCs 无法形成结构完整的STB质地，STB区域相对于总器官区域的比例降低。研究人员发现，DNMT3L-OE hTSC-Orgs中CREB蛋白水平降低，CRE位点的甲基化水平升高，这可能与STB分化失败有关。此外，DNMT3L-OE hTSC-Orgs中pERK1/2水平降低，这表明STB分化相关的信号通路可能受到抑制。

图1 DNMT3L重塑人类胎盘甲基组

总之，该研究揭示了人滋养层干细胞具有独特的DNA甲基化模式，为开发更准确的胎盘疾病模型提供了基础。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(24)00447-8

制版人：十一

参考文献

1. Okae, H., Toh, H., Sato, T., Hiura, H., Takahashi, S., Shirane, K., Kabayama, Y., Suyama, M., Sasaki, H., and Arima, T. (2018). Derivation of Human Trophoblast Stem Cells. Cell Stem Cell 22, 50-63.e6.

2. Lee, C.Q.E., Gardner, L., Turco, M., Zhao, N., Murray, M.J., Coleman, N., Rossant, J.,Hemberger,M.,andMoffett,A. (2016).What Is Trophoblast?A Combination of Criteria Define Human First-Trimester Trophoblast. Stem Cell Rep. 6, 257-272.

3. Schroeder, D.I., Blair, J.D., Lott, P., Yu, H.O.K., Hong, D., Crary, F., Ashwood, P., Walker, C., Korf, I., Robinson, W.P., et al. (2013). The human placenta methylome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 6037-6042.

4. Okano, M., Bell, D.W., Haber, D.A., and Li, E. (1999). DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b are essential for de novo methylation and mammalian development. Cell 99, 247-257.

5. Auclair, G., Guibert, S., Bender, A., and Weber, M. (2014). Ontogeny of CpG island methylation and specificity of DNMT3 methyltransferases during embryonic development in the mouse. Genome Biol. 15, 545.

6. Gowher, H., Liebert, K., Hermann, A., Xu, G., and Jeltsch, A. (2005). Mechanism of stimulation of catalytic activity of Dnmt3A and Dnmt3B DNA-(cytosine-C5)-methyltransferases by Dnmt3L. J. Biol. Chem. 280, 13341-13348.

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