小鼠妊娠晚期胎儿器官发育的代谢组学图谱揭示出生前关键代谢重编程窗口期

本研究通过代谢组学与多组学整合分析，系统揭示了小鼠妊娠晚期（E15.5-E19.5）胎儿心脏、胃、肝脏、大脑和胎盘等主要器官的代谢特征。研究发现E16.5至E18.5阶段是胎儿器官代谢模式转变的关键窗口期，表现为心脏中TCA循环增强、消化器官中脂肪酸氧化（FAO）和氨基酸代谢上调，以及脑与胎盘组织中组氨酸代谢通路的协同调控。该研究为理解哺乳动物器官发育的代谢基础提供了重要资源，并为新生儿代谢疾病的诊断提供了潜在生物标志物（如血浆肌肽和组氨酸水平）。

　　

哺乳动物胎儿发育是一个精密调控的过程，涉及基因表达、表观遗传重塑和物质代谢的协同作用。尽管科学家们已对胚胎早期和中期发育的代谢特征有所了解，但妊娠晚期胎儿器官成熟过程中的系统代谢特性仍不明确。这个阶段正是胎儿为适应出生后环境变化做准备的关键时期，特别是需要从胎盘依赖的营养供给转向自主消化乳汁中的脂肪和蛋白质。然而，由于代谢物无法完全通过基因组或表观遗传学预测，且存在多重反馈机制，使得全面解析胎儿器官发育的代谢景观成为一项重要挑战。

为了填补这一空白，来自同济大学、海军军医大学第一附属医院和中南大学湘雅医院等机构的研究团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果。他们利用非靶向代谢组学结合靶向代谢组学、稳定同位素标记和转录组测序技术，系统绘制了ICR小鼠妊娠晚期（E15.5-E19.5）胎儿心脏、胃、肝脏、大脑和胎盘五大器官的代谢图谱。

研究人员首先通过液相色谱-质谱（LC-MS）技术分析了119个器官样本，鉴定出136种代谢物。质量控制分析显示数据质量优异，变异系数小于1。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）表明不同器官具有独特的代谢特征，其中心脏和胃是代谢最活跃的器官，而胎盘和大脑的代谢物整体丰度较低。值得注意的是，发育时间并未改变各器官的整体代谢特征，而是影响了器官内部的代谢特异性。

研究发现E16.5到E18.5阶段是胎儿代谢发育的关键窗口期。在这个时期，各器官的差异代谢物出现显著变化，能量代谢相关通路特别是脂肪酸代谢和氨基酸代谢明显增强。这种代谢模式的转变被认为是为出生后消化乳汁中的脂肪酸和蛋白质做准备。

在心脏能量代谢方面，研究发现从E16.5到E18.5发生了从糖酵解向三羧酸循环（TCA cycle）的显著转变。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）显示E16.5和E18.5的心脏样本明显分离。靶向代谢组学分析发现，TCA循环中的代谢物如顺乌头酸、苹果酸和富马酸在E18.5上调，而糖酵解途径中的葡萄糖1-磷酸（G1P）和L-乳酸以及磷酸戊糖途径（PPP）中的6-磷酸葡萄糖酸（6-PG）则下降。

稳定同位素示踪实验进一步证实了这一转变。研究人员向孕鼠注射¹³C标记的葡萄糖，发现E18.5胎儿心脏中葡萄糖6-磷酸（G6P）的碳原子重排过程显著减少，而TCA循环中的柠檬酸（M+4）增加。转录组分析显示，E18.5组有139个基因上调，55个基因下调，这些基因主要参与上皮细胞分化和细胞对ATP的反应等过程。多组学数据共同描绘了心脏从糖酵解向TCA循环转变的代谢重塑过程。

消化器官方面，胃和肝脏在E16.5到E18.5阶段表现出脂肪酸代谢的增强。OPLS-DA分析显示这两个器官在E16.5和E18.5具有不同的代谢模式。 enrichment分析表明不饱和脂肪酸的生物合成在胃和肝脏中都参与其中。

研究人员发现亚油酸、花生四烯酸、疫苗酸和肾上腺酸等不饱和脂肪酸在胃中的丰度高于其他器官，但这些代谢物在E18.5减少，表明消化功能成熟过程伴随着脂肪酸代谢的上调，特别是脂肪酸的分解代谢。去磷酸辅酶A（dephospho-CoA）作为泛酸和辅酶A生物合成的中间体，在胃中E18.5时急剧增加，表明乙酰辅酶A的代谢活性可能增强。

值得注意的是，研究发现胆红素在肝脏中含量很高，从E18.5开始下降，表明胎儿肝脏可能从E18.5开始分解胆红素，肝脏胆红素代谢功能障碍可能导致新生儿出生后出现黄疸。

蛋白质组学分析进一步证实了这些发现。与E16.5相比，胃中大多数差异蛋白在E18.5上调，包括凝乳酶原（CYM）、胃蛋白酶原PGA5和FABP5。CYM和PGA5在胃中高水平表达在牛奶蛋白消化中起重要作用，FABP5与长链脂肪酸等疏水配体结合，在脂质相关代谢过程中起关键作用。肝脏中大多数差异蛋白也在E18.5上调，下调蛋白很少。与胃中FABP5上调类似，肝脏中FABP1上调也在消化系统脂肪酸代谢中起关键作用。

大脑和胎盘作为功能完全不同的器官，却显示出部分相似的代谢模式和代谢通路。研究发现大脑和胎盘的差异代谢物从E15.5到E19.5主要富集在嘌呤和嘧啶代谢中。

特别值得注意的是，研究人员发现肌肽（carnosine）和组氨酸（histidine）在组氨酸代谢通路中在大脑和胎盘中具有相似的丰度，表明这两种代谢物在E18.5后在大脑和胎盘中的丰度稳定。进一步验证显示，新生儿大脑、胎盘和母亲大脑（MB）中的肌肽水平无显著差异，而组氨酸在新生儿大脑和胎盘之间也无显著差异，但高于母亲大脑。这表明在分娩前后，胎儿大脑和胎盘中的肌肽和组氨酸水平没有显著差异，因此新生儿胎盘中的肌肽和组氨酸水平可用于评估其在大脑中的水平。

本研究采用的主要技术方法包括：使用液相色谱-质谱（LC-MS）进行非靶向代谢组学分析，鉴定出136种代谢物；采用靶向代谢组学技术定量分析心脏中的51种中心碳循环代谢物；通过尾静脉注射¹³C标记葡萄糖进行稳定同位素示踪实验，观察标记代谢物在胎儿心脏中的分布；利用RNA测序技术分析E16.5和E18.5心脏基因表达；使用ELISA试剂盒定量分析新生儿肌肽和组氨酸水平。所有样本来自ICR小鼠胚胎器官，包括心脏、胃、肝脏、大脑和胎盘，采集时间点为E15.5、E16.5、E18.5和E19.5。

研究结论表明，代谢功能的发育对于妊娠晚期器官成熟和胎儿适应产后环境至关重要。本研究揭示了小鼠妊娠晚期从不同胚层发育的主要器官的代谢模式，并确定了这些器官随时间发展的代谢特征。非靶向代谢组学和多组学分析表明，器官在出生前经历了显著的代谢转变，特别是在E16.5到E18.5阶段。在这个阶段，器官获得了与其生理功能相匹配的代谢能力，主要表现为心脏、胃和肝脏中氧化磷酸化和脂肪酸代谢增强，同时氨基酸代谢也上调。这些代谢功能的成熟使胎儿的主要器官开始为出生后消化乳汁中的脂肪酸和蛋白质做准备。

此外，研究发现大脑和胎盘之间存在一些共同特征。新生儿大脑和胎盘中肌肽和组氨酸的丰度相似，这可能作为新生儿大脑中肌肽和组氨酸水平的体外检测方法。这些发现不仅为了解哺乳动物器官发育的代谢基础提供了重要见解，而且为新生儿代谢疾病的诊断和监测提供了潜在的生物标志物和评估方法。

该研究的综合多组学数据集提供了妊娠晚期哺乳动物器官发育的全面代谢景观，为理解胎儿发育和出生代谢准备的分子机制奠定了坚实基础，具有重要的科学价值和临床意义。