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人类妊娠过程有着极其特异的调控和发育过程。在妊娠过程中，胎盘组织及其特定的滋养细胞迅速发育，并且快速繁殖，为婴儿的健康发育提供组织学基础。在妊娠末期，胎盘组织通过可控的细胞凋亡，控制妊娠结局，最终为婴儿的健康生产奠定坚实基础。因此，了解胎盘组织及其特定的滋养细胞的分子基础，有助于理解人类胚胎发育过程，并且帮助解析妊娠相关疾病的分子机理。
在人类妊娠的前三个月中，胚胎外滋养层细胞(Trophoblasts)会分化为不同的亚群。其中，在子宫壁附近，滋养细胞（cytotrophoblast, CTB）前体细胞会分化并且侵入子宫内膜及其脉管系统的细胞。在其他地方，CTB融合产生多核合体滋养层细胞（STB），形成绒毛膜（chorionic villi），并同时形成母体与胚胎/胎儿之间的物理屏蔽层：胎膜。胎膜具有双层平行机构机构，内层的羊膜 （Amnion）围住了漂浮后代的羊水，而外层的平滑绒毛膜（chorion）是由靠近胎盘的绒毛膜的CTB分化而来。到妊娠中期，人类胎盘的结构和功能已基本确立。到妊娠晚期，绒毛膜 （villi）已经达到其寿命的尽头，其间质腔扩大，同时部分CTB和STB显示出衰老迹象（Sultana et al，2018）。
前兆子癲（Preeclampsia）， 又称妊娠毒血症（toxemia），是一种常见的严重的妊娠并发症，3-8％的头胎孕妇会在妊娠的第三孕期（即第七至九月）被诊断出这种疾病，越到后期越严重。前兆子癲的成因比较复杂，通常认为是由于CTB侵袭子宫壁和产妇的血管时发生了特定的缺陷（Brosens et al，1972；Fisher et al，2015）。病理学特征反映了CTB分化途径中的分子缺陷，该缺陷导致了侵袭和血管模仿（Zhou et al，1997）。这种不完全的侵袭导致异常的产妇炎症反应和临床体征，在很大程度上可归因于血管损伤。
滋养细胞分化过程中的转录调控已经有所研究（Maltepe and Fisher，2015）。同样，滋养细胞在正常怀孕（Buckberry等，2014）和先兆子痫（Gormley等， 2017年）条件下的基因表达差异也是研究的热点。而CTB的基因表达调控，特别是表观遗传学层次的调控，还知之甚少。有证据（Ehrlich et al，1982年；Santos et al，2010年；Schroeder et al，2013年）表明，在胚胎发育过程中，基因组的DNA甲基化水平会在早期大幅下降，并随着胎盘发育进行重编程。而这种基因组尺度的甲基化水平下降也是癌细胞具有共同特征的CTB（Berman等，2011; Feinberg和Vogelstein，1983; Gama-Sosa等，1983）（Piechowski，2016）。除此之外，对CTB和其他胚外区域的不同表观基因组变化，以及不同胎龄的表观遗传修饰，知之甚少。
2021年4月22日，UCSF的Susan J. Fisher、Joseph F. Costello和Washington University School of Medicine, St Louis的Ting Wang团队（共同一作为Bo Zhang和M. Yvonne Kim）在Developmental Cell期刊上发表了文章Human placental cytotrophoblast epigenome dynamics over gestation and alterations in placental disease。这项研究对正常妊娠（妊娠中期和足月妊娠）期间的人滋养细胞和不同的胚外组织的多层次表观基因组进行了全面分析，并且对从重度先兆子痫（severe Preeclampsia, sPE）病例中采集的滋养细胞样本进行了分析，从而对人类胎盘发育和前兆子癲的表观基因调控进行了探索。
在这项研究中，两个胎龄（18-20 week，36-40week）的不同的胚外区室组织，包括 CTBs, Amnion， smooth chorion, basal plate和 chorionic villi，进行了转录组（mRNA/miRNAmRNA/）和 多层表观基因组 （DNA methylation, histone ChIP-seq）的分析。在正常的妊娠过程中，胚外区室组织的表观基因组随胎龄剧烈变化。数据表明，胚外细胞命运决定可能与维持基因组低甲基化以及组蛋白调控的基因表达有关。其中，随着发育的进行，胚外细胞基因组DNA甲基化水平整体升高，而H3K9me3占据的heterochromatin区域, DNA甲基化水平持续下降，表明heterochromatin具有独立于DNA甲基化的调控机制来维持了染色质的浓缩状态。在常染色体区域，CTB特异的调控原件的激活，伴随着局部DNA甲基化水平下降，与增强子相关的组蛋白修饰（H3K4me， H3K27ac）开始富集，促进其临近基因在胎盘发育中的高表达。在胎盘中具有已知作用的转录因子的结合基序在推定的活性增强剂中也高度丰富，并能够重建转录因子与其在CTBs中调控的途径之间的调控关系。
同时发现随着胚胎的发育，CTB组蛋白修饰，特别是甲基化修饰（H3K9me3和H3K27me3），会在胎盘的发育末期逐渐丢失。这种较长时间范围内染色质结构的类似变化可能是控制胎盘寿命的时钟机制的一部分，并且和胎儿的出生时间紧密相关。这项研究中观察到的与胎龄有关的变化可能是细胞衰老的直接证据。组蛋白甲基化修饰（H3K9me3和H3K27me3）的丢失与在Hutchinson-Gilford早衰综合症中观察到的变化一致，后者是一种导致早衰的遗传病（Scaffidi和Misteli，2006）。在小鼠中，妊娠期间子宫趋化因子表达的表观遗传沉默可以限制T细胞的运输，从而导致了胎儿母体的耐受性（Nancy等人，2012）。因此，在表观遗传水平上的调控可能是妊娠生物学的一个普遍的特征。
组蛋白乙酰基修饰（H3K27ac）与增强子元件的激活和转录有关。在胚外区室组织中，鉴定出超过80,000 个H3K27ac富集区域, 这些区域有着极强的组织特异性。靠近CTB特异性H3K27ac峰的一组基因与H3K9甲基化的控制相关，暗示了在表观遗传水平上CTB细胞中复杂的组蛋白修饰的调控关系。在Amnion和 smooth chorion中，特异性H3K27ac富集区域与皮肤相关的生物学过程具有很强的相关性，这与胎膜的整体表皮样结构相符。
这项研究还对由多个转录因子共同占据的超级增强子 (super enhancers) 进行了分析。在妊娠中期的CTB和Villi中分别鉴定出216个和306个超级增强子。其中的一大部分超级增强子在妊娠后期丢失了组蛋白乙酰基修饰（H3K27ac）。CTB特异性超级增强子与氧化应激和胎盘发育相关的基因相关，Villi特异性超级增强子与TGF-beta相关的功能以及在伤口愈合，凝血和止血中的作用相关的基因相关。
在CTB中，随着胎龄的增加，H3K27ac富集区域发生剧烈变化。妊娠中期CTB特异乙酰化区域（DARs）富集在与胎盘发育必不可少的基因周围，包括EMT，运动以及早期雌激素和炎症反应。妊娠后期CTB特异乙酰化区域则富集在与雄激素和晚期雌激素反应，以及细胞周期，细胞凋亡相关的基因周围。组蛋白乙酰基修饰（H3K27ac）丢失是CTB表观基因组整体变化的一部分，特别是前兆子癲相关基因周围的调控原件的组蛋白乙酰基修饰（H3K27ac）丢失， 暗示了CTB细胞在前兆子癲的表观遗传水平调控异常。
发现重度先兆子痫中，CTB的组蛋白乙酰基修饰（H3K27ac）显著上升， 表明涉及该组蛋白修饰的改变可能是与重度先兆子痫的特征，同时可能是标志基因（例如PSGs）上调的原因之一，这些基因通常随胎龄而下调。通过对6个不同的重度先兆子痫H3K27ac ChIP-seq 分析，4个 重度先兆子痫样品（30.2-33wks）与孕中期CTBs（18.6-21.5wks）更加相似；2个sPE样品，包括最早的胎龄（28 wks）的细胞，则与妊娠后期CTB(37.6-39.4wks)聚类在一起。相对于对正常的CTB，重度先兆子痫CTB特异性H3K27ac与不同的信号传导途径（TNF-α，KRAS和IL2-STAT5）以及同种异体移植排斥和凋亡相关。
简而言之，这项研究通过多组学（multi-omics）方法和生物信息学（bioinformatics）分析，详细地描绘了两个妊娠阶段的人类胚胎外组织的不同细胞的表观遗传组和转录组信息，动态的描述了人类胚胎外组织在妊娠过程中不同层次的分子变化。同时探索了滋养细胞 CTBs在重度先兆子痫中特异的表观遗传水平调控异常。提示了CTBs表观基因组在妊娠过程中的重编程失败导致的H3K27过度乙酰化，与胎盘疾病紧密相关，是重要的严重先兆子痫的分子特征。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.04.001