PI3Kβ通过调控系统A氨基酸转运体表达在胎盘功能中的新作用及其与胚胎存活的关系

《Cellular and Molecular Life Sciences》：Novel role for PI3Kβ in placental function through regulation of system A amino acid transporter expression, associated with embryonic lethality

本研究揭示了PI3Kβ在胎盘发育中的新机制，发现p110β激酶失活导致胎盘连接区发育缺陷和系统A氨基酸转运体（Slc38a1/2/4）表达下调，进而引起胚胎生长受限和部分致死。该发现不仅阐明了PI3Kβ在胚胎发育中的关键作用，还为解释PI3Kβ抑制剂在成人中的良好耐受性提供了理论依据。

　　

在胚胎发育过程中，胎盘扮演着至关重要的角色，它如同一位精密的营养分配师，负责将母体的营养物质精准输送给发育中的胚胎。当这一过程出现故障时，就会导致宫内生长受限（IUGR）——即胎儿无法达到其遗传定义的生长潜力。这不仅是导致新生儿并发症的主要原因，更与成年后代谢疾病的风险密切相关。在众多调控胎盘功能的分子机制中，磷酸肌醇3-激酶（PI3K）信号通路尤为关键，特别是其IA类催化亚基p110α和p110β。然而，与p110α在代谢调控中的明确作用相比，p110β在体内的生理功能，尤其是在胚胎发育过程中的具体作用，仍笼罩在迷雾之中。

尽管纯合p110β激酶失活（Pik3cb^D931A/D931A）小鼠表现出部分胚胎致死现象，但幸存者却能在成年后保持相对健康的状态，仅伴有轻微的胰岛素抵抗和生育力下降。这种独特的表型差异引发了研究人员的浓厚兴趣：PI3Kβ在胚胎发育中究竟扮演着什么角色？其激酶活性失活导致胚胎致死的内在机制又是什么？为了解开这些谜团，来自伦敦大学学院和剑桥大学的研究团队在《Cellular and Molecular Life Sciences》上发表了他们的最新发现。

研究人员主要运用了基因工程小鼠模型（Pik3cb^D931A小鼠）、组织形态计量学分析、免疫印迹、定量逆转录PCR以及公共单细胞核RNA测序数据挖掘等关键技术方法。通过对胚胎日龄10.5（E10.5）和13.5（E13.5）的小鼠胚胎和胎盘进行系统分析，揭示了PI3Kβ激酶活性在胎盘发育和胚胎生长中的关键作用。

PI3Kβ激酶失活导致部分胚胎致死和生长受限

研究团队通过杂合子交配发现，Pik3cb^D931A/D931A胚胎在E10.5和E13.5的存活率均降至16.7%，显著低于孟德尔遗传定律预期的25%。尽管大多数存活的突变胚胎形态正常，但它们的体型明显小于野生型同窝对照组。进一步分析显示，这种生长受限在胚胎早期（E10.5）更为明显（35%），到E13.5时有所缓解（19%），表明可能存在一定的代偿机制。

胎盘-胚胎生长协调性受损

研究人员发现，Pik3cb^D931A/D931A胚胎不仅自身生长受限，其胎盘质量也显著降低。在E10.5时，胚胎冠臀长、胚胎质量和胎盘质量均减少，但胎盘效率（胚胎质量与胎盘质量之比）未见明显变化。到E13.5时，这一趋势仍然存在，且雄性和雌性胚胎中表型一致。值得注意的是，胎盘生长受限的程度（E10.5为28%，E13.5为33%）甚至超过了胚胎生长受限的缓解程度，提示胎盘可能通过某种机制部分补偿了营养转运的缺陷。

PI3Kβ失活破坏胎盘连接区谱系发育

通过对E13.5胎盘进行基因表达分析，研究人员发现Pik3cb^D931A/D931A胎盘中连接区特异性标志物表达显著下调，包括海绵滋养层细胞标志物Prl3b1和Prl8a8，以及巨细胞标志物Hand1。而负责营养交换的迷路区细胞标志物（Gcm1、Syna）和胚胎内皮细胞标志物（Mest）则无明显变化。这一发现提示PI3Kβ激酶活性特异性影响胎盘连接区的发育，而对迷路区细胞谱系分化的影响较小。

Pik3cb^D931A/D931A胎盘连接区面积减小

组织学分析进一步证实了基因表达的结果。H&E染色显示，突变胎盘的连接区面积显著减少，而迷路区面积保持不变。尽管连接区整体缩小，但其内部细胞类型（海绵滋养层细胞、巨细胞、糖原细胞和血管）的比例并未发生显著改变，表明PI3Kβ失活影响的是连接区的整体发育或维持，而非特异地消除某一细胞类型。

系统A氨基酸转运体表达下调

研究中最关键的发现之一是系统A氨基酸转运体家族成员Slc38a1、Slc38a2和Slc38a4的mRNA水平在突变胎盘中均显著下调。这些转运体负责中性氨基酸从母体到胚胎的转运，其表达减少与人类宫内生长受限密切相关。相比之下，葡萄糖转运体Slc2a1和Slc2a3的表达则无明显变化。单细胞核RNA测序数据分析显示，Pik3cb与系统A氨基酸转运体在胎盘滋养层细胞亚群中共表达，特别是在负责营养转运的合体滋养层I层和组成连接区的海绵滋养层细胞中表达最高。

Pik3cb^D931A/D931A胎盘中AKT信号传导受阻

信号通路分析表明，尽管mTORC1（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1）下游效应蛋白pS6RP的磷酸化水平未受影响，但AKT（蛋白激酶B）在Ser473位点的磷酸化水平在突变胎盘中显著降低。这表明PI3Kβ通过AKT信号通路调控胎盘功能，而mTORC1可能通过AKT非依赖的途径被激活。

本研究系统阐明了PI3Kβ在胎盘发育和胚胎生长中的关键作用。研究人员发现，p110β激酶失活导致胎盘连接区发育缺陷和系统A氨基酸转运体表达下调，进而引起胚胎营养供应不足和生长受限。这一机制很好地解释了Pik3cb^D931A/D931A小鼠部分胚胎致死的原因。

值得注意的是，PI3Kβ在胚胎发育中的重要性远超过其在成年生理中的作用。系统A氨基酸转运体在发育过程中至关重要，但在成年机体中则相对次要，这可能是PI3Kβ抑制剂在成人临床试验中表现出良好耐受性的原因之一。此外，研究还揭示了PI3Kα和PI3Kβ在胎盘功能中的非冗余作用：PI3Kα主要调控迷路区结构和营养交换表面积，而PI3Kβ则负责调控营养转运蛋白的表达。

这项研究不仅深化了我们对PI3K信号通路在发育中作用的理解，也为解释PI3Kβ抑制剂的安全性提供了分子基础。未来研究可进一步探索PI3Kβ在胎盘中的上游激活机制及其与其他营养感应通路（如mTORC1）的交互作用，为理解胎盘功能调控和胎儿发育提供新的视角。