深圳中山临床科研速递:反复自然流产与子宫内膜微环境中氨基酸代谢及自噬异常相关

2021-07-28

  近日,深圳中山泌尿外科医院生殖医学临床研究中心科研团队在《Biology of Reproduction》 IF:4.285发表题为《Multi-omics reveals a relationshipbetween endometrial amino acidmetabolism and autophagy inwomen with recurrent miscarriage》研究型文章,报道了子宫内膜微环境在反复自然流产发病机制中的作用。研究结果显示,反复自然流产患者子宫内膜中谷氨酰胺代谢水平降低,且这种代谢模式的改变与内膜细胞的自噬增强显著相关。

  研究背景

  早期自然流产连续发生2次或2次以上者称为反复早期自然流产(recurrent miscarriage, RM)[1],其病因较为复杂,除遗传因素、内分泌失调、生殖道解剖异常、感染、环境因素外,仍有超过50%的流产原因不明[2]。许多因素都可能在RM中发挥作用,如子宫内膜容受性、免疫因子、生长因子、滋养层特征和局部免疫细胞特征等。

  既往多项研究表明,子宫内膜微环境对妊娠的建立和维持至关重要,子宫内膜具有复杂的代谢能力,在妊娠早期胚胎发育过程中维持能量和营养的供给。妊娠早期子宫内膜细胞代谢模式会发生变化以适应其增加的能量营养需求和细胞生物合成的物质需求。细胞自噬是一种高度保守的催化和适应过程,在营养缺乏(特别是氨基酸缺乏)、缺血、缺氧或应激等条件下,能够诱导衰老的细胞器和错误折叠的蛋白质分解为氨基酸、脂肪酸和其他成分,并维持细胞内稳态[3]。但是目前在生殖领域中关于氨基酸代谢对子宫内膜微环境的塑造研究甚少,因此,在本研究中,该团队探索了反复早期自然流产患者子宫内膜微环境中氨基酸代谢是否发生异常变化及其影响妊娠结局可能作用的分子机制。

  研究内容

  反复早期自然流产患者子宫内膜自噬蛋白的表达升高

  作者首先通过免疫组织化学和荧光定量PCR技术检测子宫内膜中自噬蛋白MAPLC3B的表达,结果显示,反复早期自然流产患者子宫内膜中存在自噬激活的现象。因此作者猜想反复早期自然流产患者子宫内膜微环境可能发生异常变化,从而引起自噬的激活。为了进一步明确子宫内膜中的自噬改变,作者接下来通过RNA-Seq技术筛选反复早期自然流产患者子宫内膜中差异表达的基因,进一步筛选到反复早期自然流产患者中自噬相关基因表达水平的升高。这些结果进一步验证了反复早期自然流产患者子宫内膜自噬被激活

  反复早期自然流产患者子宫内膜代谢微环境的变化

  子宫内膜中激活的自噬现象反映了什么问题?自噬激活与子宫内膜微环境调控之间又有什么相关性?考虑到自噬的激活通常发生在营养及能量缺乏的情况下,作者进行了反复早期自然流产患者子宫内膜中代谢物的检测,通过代谢组学测序分析子宫内膜代谢产物变化,以此来探索早期反复流产患者子宫内膜中代谢微环境的变化以及这种变化与自噬激活间的联系。结果显示,反复早期自然流产患者子宫内膜中出现多种代谢产物的异常变化,提示子宫内膜代谢微环境可能发生异常。值得一提的是,在这些代谢产物中发现谷氨酰胺和谷氨酸的变化异常明显,考虑到谷氨酰胺代谢在子宫内膜微环境构建中的作用,作者猜想反复早期自然流产患者子宫内膜谷氨酰胺代谢的异常可能激活微环境中的细胞自噬。为了确证谷氨酰胺缺乏对自噬的激活作用,作者进一步通过体外实验分析发现,在谷氨酰胺缺乏的培养基中,子宫内膜基质细胞中自噬蛋白的表达升高。这些结果提示,反复早期自然流产患者子宫内膜中存在异常的谷氨酰胺代谢和自噬。那么谷氨酰胺代谢和自噬又是如何联系起来的呢?

  谷氨酰胺代谢通过介导AMPK激活细胞自噬

  AMP依赖的蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate (AMP) activated protein kinase, AMPK)是一种细胞内AMP、ADP和ATP水平变化的能量传感器,是由催化α亚单位,结构β单位和调节γ单位组成的异源三聚体复合物[4]。AMPK作为代谢的主要调节者,通过多种机制触发自噬级联反应的启动。自噬是一种高度保守的催化和适应过程,在营养缺乏(尤其是氨基酸饥饿)、缺血、缺氧或应激的条件下,诱导衰老的细胞器和错误折叠的蛋白质分解为氨基酸、脂肪酸和其他成分,并维持细胞内稳态。氨基酸传感器GCN2可以有效地感知氨基酸的耗竭,进而激活细胞内其他生物学过程,促进分解代谢过程。为了确定谷氨酰胺是否通过AMPK激活自噬,作者通过体外剥夺谷氨酰胺和添加AMPK抑制剂,结果显示在抑制子宫内膜基质细胞AMPK活性后,GCN2表达水平显著升高。这些结果验证了在子宫内膜中AMPK对GCN2的诱导作用。结合反复早期自然流产患者子宫内膜中GCN2和自噬关键蛋白ATG12、p62和beclin1表达的相关性,以及AMPK和GCN2表达的相关性,作者总结出反复早期自然流产患者子宫内膜中异常的谷氨酰胺代谢通过介导AMPK从而激活细胞自噬

  研究总结

  在本研究中,作者整合多组学分析和体外细胞实验结果,观察到反复早期自然流产患者子宫内膜微环境的异常变化:

  首先,本研究中,作者发现反复早期自然流产患者子宫内膜中自噬通路上多种关键蛋白表达上调,提示细胞自噬激活;其次,作者通过代谢组学分析结果发现,反复早期自然流产患者子宫内膜中代谢产物谷氨酰胺和谷氨酸水平异常,提示子宫内膜中谷氨酰胺代谢出现异常。最后,作者通过体外细胞实验证明,子宫内膜中谷氨酰胺缺乏通过介导AMPK来激活细胞自噬。

  总之,这些研究结果表明,子宫内膜微环境对妊娠的建立和维持至关重要,一旦发生异常变化,就有可能引发不良妊娠结局。需要注意的是,子宫内膜微环境是十分复杂的,涉及到多种免疫细胞、因子、生物学过程等,阐明妊娠过程中子宫内膜微环境的变化仍需进行更加深入的研究。

  参考文献

  [1]The Practice Committee of the American Society for Reproductive Medicine. Evaluation and treatment of recurrent pregnancy loss: a committee opinion. Fertil Steril 2012; 98: 1103–1111.

  [2] Matjila MJ, Hoffman A, van der Spuy ZM. Medical conditions associated with recurrent miscarriage-Is BMI the tip of the iceberg? Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol 2017; 214:91–96.

  [3] Choi AM, Ryter SW, Levine B. Autophagy in human health and disease. N Engl J Med 2013; 368:651–662.

  [4] Hardie DG, Ross FA, Hawley SA. AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol 2012; 13:251–262.