胎盘发育机制的研究进展

韩思杨，秦欣然，薛春然，彭麒桦，王莺瑾，丁之德

胎盘介于母体与胎儿之间，在胎儿的生长发育中有着重要的意义，如运输营养物质及代谢废物尿酸、尿素，进行气体交换等。胎盘还能分泌激素如人绒毛膜促性腺激素（human chorionic gonadotropin，hCG）以及进行免疫防御等[1]。此外，胎盘还是胎儿的储血容器，在低血压的情况下能够为其提供血流保障，而在血液充足时又能储存一部分血液。现对近年来胎盘发育的研究进展进行综述。

1 胎盘发育的新发现

胎盘发育和肿瘤生长过程有诸多相似之处[2-4]，前者是生理过程，而后者是病理状态。胎盘形成及发育被认为是一种类似“恶性”组织的行为，如由单个细胞增殖并侵入子宫，并在母体免疫耐受下发育。另外，胎盘在低氧条件下生长，蜕膜中螺旋动脉结构会与之发生相应的变化，其主要表现在弯曲幅度的降低及动脉管径的增加。

1.1 氧供的变化妊娠早期有效的绒毛膜循环尚未建立，目前尚不清楚在此阶段营养物质是如何完全到达胚胎的，但可以确定的是，此时胎儿器官生长发育处于一种生理性低氧微环境中[5]。

缺氧可引起机体组织和细胞的广泛损伤，包括胎盘成熟的整体性、绒毛血管的额外增加、绒毛膜细胞外基质减少、滋养层细胞和胎盘巨噬细胞增加以及非凋亡性合胞结节（nonapoptotic syncytial knots）的出现[6-7]。研究表明，这些过程涉及受氧敏感酶调节的缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factors，HIF）活性改变[8]。低氧条件下HIF上调，其通过调节型α亚基（HIF-1α、HIF-2α 或 HIF-3α） 和结构型 β 亚基（constitutive HIF-β）形成异二聚体发挥作用。缺氧可通过抑制含有脯氨酰羟化酶结构域的蛋白质（PHD1，2，3）调节细胞内α亚基水平，使多个基因转录增加并涉及机体代谢过程，如血管和红细胞生成、免疫调节作用等[9]。

妊娠3个月后，胎盘建立母体动脉循环，氧水平显著增加。生理条件和病理条件下，缺血-再灌注损伤可导致氧化应激发生。在对先天性抗氧化酶缺陷的动物模型研究中发现，滋养层上皮细胞DNA氧化损伤和绒毛形成受损可导致细胞坏死和凋亡[12]，其结局包括血栓形成、胎盘绒毛梗塞[12]、子痫前期和其他妊娠并发症的发生[13]。

1.2 血供的变化为了维持生长，胎盘和肿瘤一样，必须建立自身的血管网络，以下几种共享机制有助于了解该过程：①血管生成，血管内皮生长因子（VEGF）和 VEGF 受体 1（VEGFR1，FLT1）是 HIF 的靶基因，可构建血管内皮细胞生长的适宜微环境；②从现存的血管获得血供，胎盘使用子宫螺旋动脉与肿瘤“血管共选（blood vessel co-option）”的过程相似；③血管生成拟态（vasculogenic mimicry），即由内皮细胞以外的细胞形成血管通道。

肾素-血管紧张素系统（RAS）在调节胎盘血管生成过程起重要作用，主要可分为不依赖和依赖血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）的两类调节方式。前者肾素原（prorenin）与（亲）肾素受体[（pro）renin receptor，（P）RR]结合后，通过激活经典的Wnt/β-连环蛋白信号通路中多种靶基因参与血管生成[14-15]。另外，V-ATP酶普遍存在于真核生物内膜系统，（P）RR是V-ATP酶的m8.9区段，为维持V-ATP酶活性所必需。VATP酶通过水解ATP转移氢离子产生酸性环境，激活蛋白酶（如组织蛋白酶）和基质金属蛋白酶（MMPs），增强邻近组织细胞侵袭并刺激血管生成，该过程涉及AngⅡ1型和2型受体（AT1R和AT2R）[14]。AngⅡ/AT1R可刺激丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/细胞外信号相关激酶（ERK）及p85α-磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）细胞内信号通路，促进血管形成[14]。AT2R主要是与上述过程形成拮抗作用，促进血管舒张和细胞凋亡。VEGF敏感的内质网氨基肽酶1（ERAP1）可将AngⅡ切割成AngⅢ/Ⅳ，有助于胎儿-胎盘脉管系统形成和肿瘤血管生成[16]。

另外，胎盘发育及其功能发挥通常与子宫内膜密不可分[3]。子宫内膜经历“蜕膜化”后，螺旋动脉重塑加强，血管直径增加，其可加大母血到胎盘的血流量，这一过程与胎盘雌激素水平升高有关。

1.3 免疫逃逸胎盘和胎儿被视为母体内的同种异体移植物，但可避免母体免疫系统的攻击，其机制与肿瘤免疫逃逸相似。免疫逃逸机制分为两大类：隐形（避免被免疫系统识别）和阻断（上调相关分子表达以限制免疫细胞的作用）。

胎盘和恶性肿瘤的共同点是Fas配体（FasL）表达增加，FasL是死亡受体Fas的配体。FasL在胎盘滋养细胞和实体瘤中呈上调现象。FasL可诱导表达Fas的淋巴细胞凋亡。小鼠肺泡损伤模型显示HIF-1α在调节FasL/Fas介导的细胞凋亡中起重要作用[17]。程序性死亡配体 1（programmeddeath-ligand1，PD-L1）是B7检查点基因家族（B7 checkpoint gene family）成员和T细胞应答负调节因子，在胎盘和肿瘤中表达增加，产生免疫耐受[18]。研究表明，肿瘤细胞中HIF依赖性PD-L1呈上调趋势[19]。PD-L1与受体结合，诱导T细胞凋亡或使其处于未活化状态。胎盘发育过程中，滋养细胞PD-L1表达与妊娠时间推移及氧的可用性有关。结合FasL和PD-L1的免疫逃逸机制，HIF作为响应缺氧的转录因子，表明氧含量改变在胎盘免疫逃逸中起关键作用。

另外，免疫逃逸还与细胞表面主要组织相容性复合物1（MHC1）的下调密切关联。人类MHC产物通常被称为人类白细胞抗原（human leukocyte antigen，HLA），滋养层细胞不表达经典的HLA-A和HLA-B。尽管其表达HLA-C和HLA-G（理论上可被免疫系统识别），但也可避免免疫反应的攻击。在滋养层，这些抗原充当杀伤性免疫球蛋白样受体（KIR）的抑制性配体，细胞即使表达MHC1，也可逃避免疫系统检测[16]。另外，低氧条件下，滋养细胞微小RNA-365（miR-365）表达显著增高，其靶标是 HLA-G，两者相互作用可诱导相应母体产生免疫耐受[20]。

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M1型巨噬细胞可以杀死微生物和引发炎症；M2型负责免疫调节，诱导耐受。妊娠期间，母胎界面大多数巨噬细胞是M2巨噬细胞。子痫前期患者的M1巨噬细胞增多，这表明该类巨噬细胞在胎盘发育过程中有较大负面影响[21]。子宫自然杀伤（uNK）细胞具有高度组织特异性，与外周血中NK细胞性质相同，产生的大颗粒物质（含有颗粒酶B和穿孔素）具有细胞毒性，但uNK细胞不会杀死滋养层细胞，并且uNK细胞也不反映外周血中NK细胞的变化[16]。

胎盘免疫逃逸机制还和其他一些重要因素有关。胎儿中存在淋巴细胞抑制细胞（suppressor cells），其通过抑制T细胞释放白细胞介素2（IL-2）发挥作用[22]。

2 胎盘发育的性别差异

在胎盘发育过程中，因依赖于性别基因表达差异和表观遗传修饰变化及不同激素水平的影响，两性胎盘逐渐表现出结构与功能的差异。当宫内环境发生改变时，胎盘适应母体刺激的方式也具有性别的双重性（sexual dimorphism），这可能导致一些性别倾向性（sex biased）胎儿/新生儿疾病的发生。需要强调的是，胎盘发育的性别差异往往依赖于某个特定的时间段。

2.1 胎盘结构与功能的性别差异及其发生机制两性胎盘基因组的表达模式具有明显的性别差异。例如，葡萄糖转运体基因SLC2A1和胰岛素样生长因子受体1（IGFR1）基因在妊娠早期男性胚胎的胎盘中表达上升，而在女性中不变；RNA转录后修饰基因假尿苷 5′磷酸酶（pseudouridine 5′-phosphatase，PUDP）和细胞通讯基因 OFD1、OSBL3、PCDH11Y 及TBC1D32在妊娠早、中期女性胚胎的胎盘中表达上升，而在男性中恒定，提示两性的代谢差异[23]。

此外，一部分基因具有明显的性别倾向，它们涉及到许多高层次的调节过程，并对胎盘产生多重影响，如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）和VEGF信号通路基因。mTOR通路是细胞生长和增殖的关键调节因素，而VEGF通路与血管生成、胎盘发育和不良妊娠结局有关[24]。性染色体基因在此类性别倾向性基因中占有很大比例，如X染色体连锁基因中性激素合成基因STS和组蛋白修饰基因KDM6A等倾向于在女性胚胎胎盘表达，而线粒体调节基因ARMCX3和ARMCX6等则偏向于男性。另一方面，X连锁基因的失活逃避也在胎盘性别分化中发挥重要作用，如基因HDHD1、XIST和JPX[25]。除性染色体外，19号常染色体上的LHB-CGB基因簇表达高度倾向女性，即LHB基因编码黄体生成激素的β亚基，CGB基因家族编码hCG的β亚基。hCG是母体识别妊娠状态的重要胚胎信号，其与黄体功能的延续、孕酮生成、胎盘的生长与侵袭、血管生成和免疫耐受等紧密相关。

另一方面，性别还可影响胎盘大小。妊娠晚期，女性胚胎的胎盘质量较轻，相对小的胎盘容量和表面积提示该胎盘的物质交换潜能较低，因此女性胎儿更易出现FGR。相反，男性胎盘在妊娠中期已完成主要的细胞增殖与分化，而在妊娠后期胎儿开始过度生长，由于胎盘与胎儿的发育不相匹配，因此，男性胎儿发生营养不良的风险更大[26]。

此外，胎盘免疫体系也表现出性别的双重性，如女性胎盘的免疫调节基因（JAK1、IL2RB、Clusterin、LTBP、CXCL1及IL1RL1）上调，有助于母体免疫耐受和胚胎免疫防御；相反，由于母体对男性胚胎的兼容性较低，男性胎盘不得不上调一部分参与对抗母体免疫系统的基因。同时男性胚胎宫内感染和慢性炎症的发生率也较高[27]。

2.2 宫内环境变化胎盘适应性反应的性别差异当宫内环境发生变化时，女性胚胎的胎盘往往具有更多的基因变化，从而帮助女性胚胎更全面地适应母体刺激，而男性胚胎的胎盘基因变化较少，这可能提示男性胚胎的胎盘相对独立于母体的生长机制。

母体肥胖可以强烈影响胎盘的脂质代谢、血管生成、激素活性和炎症反应等基因的表达，进而改变胎盘形态，影响胎儿代谢编程，其作用具有显著的性别差异。如胎盘抗氧化防御机制的变化中，两性胎盘的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性均在母体肥胖时下降，而谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还原蛋白还原酶水平在男性胎盘中代偿性升高，尽管如此，肥胖妊娠妇女的男性胚胎胎盘仍将合成更多的超氧化物和一氧化氮。由此可推测，高血压和肥胖男性体内更高的氧化水平可能与男性胎盘中受损的抗氧化防御机制有关[28-29]。

此外，母体的应激状态对子代的影响也具有性别双重性，如男性子代的应激敏感性（stress sensitivity）较女性明显增高，其机制可能与X连锁基因O-联N-乙酰葡糖胺转移酶（O-linked N-acetylglucosamine transferase，OGT）有关。在小鼠的早期产前应激（early prenatal stress，EPS）模型中，研究者观察到两性胎盘的OGT表达均下降，然而OGT能够逃避X染色体失活，这使得雌性胎盘OGT的基础水平是雄性的2倍，所以OGT表达的下降程度也较轻。雄性胎盘中低水平的OGT将导致雄性胚胎呈现更低水平的组蛋白甲基化H3K27me3修饰状态（一种抑制性组蛋白修饰），而H3K27me3修饰的减少可使染色体处于高度活性状况，且易对母体应激产生转录水平反应。研究进一步还发现，在上述模型中雄性胚胎的OGT减少还伴随着胎盘17-β-羟基类固醇脱氢酶-3（17-β-hydroxysteroid dehydrogenase-3，HSD17b3）的表达显著降低。HSD17b3负责催化雄烯二酮转化为睾酮，因此HSD17b3下降可引起雄性胚胎的睾酮水平下降。男性脑组织暴露于低水平的睾酮将导致其发生女性化的应激行为、认知功能和空间决策[30]。

3 胎盘发育的表观遗传性影响

表观遗传是指通过有丝分裂和减数分裂来传递非DNA序列遗传信息的现象，其包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA，并可通过调控基因表达在胎盘滋养层细胞分化、侵袭、激素分泌等方面发挥重要作用。

3.1 DNA甲基化其是指将胞嘧啶修饰为5-甲基胞嘧啶的现象。与人体正常组织的高甲基化状态不同，胎盘组织基因的低甲基化区域即部分甲基化结构域（partially methylated domains，PMDs）可覆盖高达40%的基因组[31]。哺乳动物胚胎发育早期经历基因重编程过程，胎盘在这个过程中形成了时间和组织特异性的甲基化分布[32]。研究发现为孕大鼠腹腔内注射5′-氮杂-2′-脱氧胞苷（一种DNA甲基化抑制剂）会破坏其滋养层的增殖和迁移，而敲除DNA甲基转移酶Dnmt1和Dnmt3L的小鼠胎盘则表现出多种形态学缺陷[33]。

印迹基因是根据染色体来源决定其是否表达的基因，主要受DNA甲基化调控。与胚胎和已发育成熟的组织相比，胎盘中多数印迹基因表达升高[34]，表明其在胎盘发育和功能发挥过程中的重要性，如Phlda2基因表达可通过抑制糖原积累以发挥抑制胎儿过度生长的作用，但其过度表达往往导致FGR[35]。

3.2 组蛋白修饰其是指在组蛋白氨基末端进行的乙酰化、甲基化等修饰，主要由乙酰转移酶，脱乙酰酶等介导。细胞滋养层和合体滋养层细胞不同的组蛋白修饰模式证明其在细胞分化中的重要作用，同时该类修饰也调控着胎盘血管生成过程。G9a作为一种组蛋白甲基转移酶，可通过激活Notch途径参与胎盘血管成熟过程。而G9a缺乏将导致胎盘血管扩张和侵袭障碍。此外，组蛋白修饰还可调控胎盘内激素的分泌。如组蛋白乙酰转移酶CBP和脱乙酰酶HDAC1共同调控胎盘中促肾上腺皮质激素释放激素的表达[36]。

3.3 非编码RNA其是指DNA转录后不翻译为蛋白质的 RNA，包括微小 RNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）等。MiRNA可通过与mRNA结合抑制相应蛋白表达而影响胎盘的功能。研究发现，子痫前期患者胎盘中的许多miRNA与对照组相比呈差异性表达，如miR-210等，而其作用的靶向mRNA可参与调控细胞凋亡、血管生成等多个环节[35]。Maccani等[37]发现婴儿神经行为（如注意力等）与miRNA的表达有关，如miR-16等，该类miRNA可能通过影响胎盘血管侵袭及神经活性肽和激素分泌影响胎儿的神经行为。此外，lncRNA也可通过参与基因表达的调节、转录后修饰及调节其他表观遗传修饰等参与调控胎盘功能，如在滋养层细胞中下调lncRNA SPRY4-IT1表达会导致胎盘血管内皮细胞管状网络（endothelial cell tube-like network）形成能力的下降，从而影响血管生成[38]。

4 结语

综述胎盘发育过程中多种因素影响其结构和功能的变化，如阐述胎盘发育时氧含量、血管及免疫系统的变化，以及表观遗传、性别差异对胎盘发育及功能的影响。胎盘是胎儿生长发育过程中的重要器官，许多先天性或出生后疾病均与胎盘异常发育有关。研究胎盘的发育过程及异常的发生，可使学者在了解有关机制的基础上更好地预防及治疗新生儿和母体的相关性疾病。