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哺乳动物的胚胎发育过程复杂,其代谢物的调节及机制是动态且极其精细的。在妊娠中期时,随着胚胎器官的发育,耗氧量和营养物质的需求均显著增加,代谢活动更为旺盛,而了解这些代谢过程对于胚胎发育的作用和影响至为重要。

 

Nature在四月的正刊发表了美国德克萨斯州立大学西南医学中心DeBerardinis教授课题组的研究[1],该研究使用代谢组学的方法以完整胚胎-胎盘为单位对于小鼠妊娠中期胚胎中的代谢进行了研究,揭示了妊娠中期胚胎和胎盘的代谢特征,并借助同位素标记示踪技术,对其中的碳水化合物代谢途径的差异和嘌呤的生物体内快速合成进行了探索,为妊娠中期胚胎发育及胎盘营养的代谢机制研究提供了基础。

 

代谢途径变化分析:

妊娠中期是胚胎发育、胎盘及代谢变化非常明显的阶段,在这段发育过程中,胚胎和胎盘重量快速增加,心脏、大脑和肝脏等器官迅速发育,并伴随耗氧量的增加及代谢物的轮廓剧烈波动。

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在小鼠的妊娠过程中,胎盘于妊娠3.5天形成,到9.5天时可同胚胎分离,其妊娠中期(GD10.5~13.5)的胎盘及胚胎重量、代谢物轮廓热图及代谢物种类均有明显变化。由于胚胎和胎盘的细胞组成和功能差异很大,所以两种组织的代谢轮廓在整个妊娠中期的差异也非常明显,基于LC-Orbitrap MS的代谢组学的数据结果显示在GD10.5到11.5之间的波动尤为明显(见下图),提示这段时间的代谢途径变化非常剧烈。通过代谢通路富集分析及差异代谢物的对比,锁定嘌呤和嘧啶代谢为胚胎中最重要的代谢变化,大部分嘌呤在GD10.5后持续增加,而嘧啶的量维持平稳,故针对嘌呤的体内合成进行进一步研究。

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 嘌呤合成过程研究:

众所周知,嘌呤在哺乳动物体内的合成有两种方式,从头合成(de novo synthesis)[2]或补救合成(salvage synthesis)[3]

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针对嘌呤的生物合成过程,使用稳定同位素标记的方法进行了研究。在GD10.5时将[13C]葡萄糖注入怀孕的小鼠,在保持血流供应的情况下,并每隔30 min取其血、胚胎及对应胎盘,对代谢物及其[13C]同位素标记的特征峰进行动态监测。

 

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在灌注4小时后,嘌呤的同位素标记比例达到稳定状态,在胚胎中的同位素标记程度高于胎盘,3种嘌呤(IMP、GMP和AMP)的稳定同位素标记比例及每个同位素标记状态由柱状图展示。同时发现,R5P中同位素标记的比例均低于3种嘌呤,且在嘌呤前体一碳单位氨基酸Ser和Gly中也发现明显的同位素标记情况,提示3种嘌呤在胚胎中的生物合成均采用从头合成的方式。

 

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结论验证:

为验证这个结论,作者在接下来的研究中进行了[13C]和[15N]的同时标记,在给妊娠中期小鼠[13C]葡萄糖之外,添加注射[γ-15N]谷氨酰胺一小时,不出所料,果然在3种嘌呤中发现了[15N]的同位素标记,从而严谨地验证了胚胎中的嘌呤是从头合成的方式。

 

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使用[13C]和[15N]双稳定同位素标记进行代谢流的研究,对于分析仪器的分辨率要求非常高,该研究使用Q Exactive HF-X高分辨质谱,在方法设置中使用12万分辨率,得到稳定可靠的数据。

下图为使用12万分辨率设置采集的数据经过Compound Discoverer软件分析后得到的AMP的[M+H]+特征峰及其质谱峰,在质谱图中,单同位素峰M+0使用淡紫色标注,M+1同位素峰用绿色标注,放大M+1同位素峰可看到AMP的[13C]和[15N]同位素峰被准确标注,可见其同位素峰分布的准确度非常高。

 

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 参考资料:

[1] Solmonson, Ashley, et al. "Compartmentalized metabolism supports midgestation mammalian development." Nature 604.7905 (2022): 349-353.

[2] Lehninger, Albert L., et al. Lehninger principles of biochemistry. Macmillan, 2005. 

[3] Metabolika Pathway, Compound Discoverer.

 

@dongdan 

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Last update:
‎06-18-2022 06:25 AM
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