玉米赤霉烯酮通过ALKBH5-YTHDF2-SMAD4轴抑制垂体卵泡刺激素合成

《Journal of Hazardous Materials》：Zearalenone suppresses pituitary follicle-stimulating hormone synthesis via ALKBH5-YTHDF2-SMAD4 axis

　　

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  玉米赤霉醇引起的促性腺激素细胞功能障碍伴有m⁶A修饰。
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  ALKBH5介导了玉米赤霉醇暴露诱导的m⁶A修饰动态变化。
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  SMAD4是ALKBH5的一个靶基因，介导了玉米赤霉醇处理后垂体FSH合成的调控。
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  YTHDF2识别SMAD4的m⁶A位点，从而影响FSH合成。

引言

玉米赤霉醇（ZEA）是由 Fusarium属真菌产生的一种霉菌毒素，在全球范围内被广泛检测于受污染的谷物中，包括玉米、高粱和小麦[1]。作为一种强效的内分泌干扰物，ZEA对生殖健康构成重大环境威胁。在大家畜中，猪对ZEA尤为敏感，这既源于其较长的生物学半衰期，也源于其可生物转化为毒性更强的代谢产物α-玉米赤霉烯醇[2], [3]。在雌性动物中，ZEA暴露可干扰下丘脑-垂体-卵巢轴并抑制促卵泡激素（FSH）分泌，从而影响排卵前卵泡成熟，进而导致无发情和繁殖失败[4], [5]。雄性动物同样受到影响，表现为曲细精管萎缩、精子质量下降和睾酮浓度降低[6], [7]。重要的是，与ZEA暴露相关的生殖功能障碍已在包括人类、猪和小鼠在内的多个物种中被记录[4], [5], [6], [7], [8]。尽管ZEA对性腺的直接作用已被充分记录，但其通过垂体发挥的内分泌调控机制仍未得到充分阐明。

FSH由垂体促性腺激素细胞合成和分泌，是下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴内哺乳动物生殖的关键调节因子[9]。Fshb基因敲除模型突显了FSH的生理重要性：缺乏Fshb的雄性个体表现出睾丸体积减小和精子数量减少，而缺乏Fshb的雌性个体则表现为卵巢发育不全、卵泡发生受阻和无排卵，展示了FSH对两性均不可或缺的作用[10], [11]。FSH的合成主要由下丘脑脉冲式释放的促性腺激素释放激素（GnRH）调控，此外还受到性腺来源的激活素和抑制素的调节[12]。GnRH与其受体（GnRHR）结合后触发下游信号级联的激活，如cAMP/PKA/CREB和PKC/MAPK通路，最终调控FSHB的转录[13]。激活素A是转化生长因子-β（TGF-β）超家族的一员，可触发SMAD2/3磷酸化。磷酸化的SMAD2/3随后与SMAD4形成复合物并转位至细胞核，促进FSHB转录[14], [15], [16]。新近证据表明，ZEA通过G蛋白偶联受体30（GPR30）直接作用于猪垂体促性腺激素细胞，从而扰乱HPG轴的稳态[17]。然而，在垂体水平上ZEA介导的FSH合成的分子机制，特别是N6-甲基腺苷（m⁶A）修饰的参与，仍未得到深入理解。

m⁶A是真核生物mRNA中最丰富的内部修饰，动态地受甲基转移酶（写入者）、去甲基化酶（擦除者）和结合蛋白（读取者）的调控[18]。该修饰影响RNA代谢的几乎所有方面，包括剪接、输出、降解和翻译，并参与胚胎发育、凋亡和生殖功能[19], [20]。在神经内分泌系统中，m⁶A修饰在发育中的神经组织中高度富集，全基因组关联研究已将m⁶A相关位点与HPG轴活性和青春期时机联系起来[21], [22]。ALKBH5作为一种关键的m⁶A去甲基化酶，已参与哺乳动物发育和多种人类疾病[23]。缺乏Alkbh5的小鼠表现出精子发生障碍、精子形态异常和生殖细胞凋亡增加[24]。在机制上，精子发生期间适当的mRNA剪接和稳定性需要ALKBH5介导的去甲基化[25]。GnRH通过FTO介导的m⁶A修饰增强Foxp2 mRNA的稳定性，从而促进促性腺激素合成[26]。尽管FTO对FSH的依赖性调控已被记录，但ALKBH5在垂体FSH合成中的具体作用仍未被探索，特别是在ZEA暴露的背景下。

在本研究中，我们探讨了ZEA通过m⁶A修饰调控垂体FSH合成的分子机制。为此，我们在猪和小鼠中建立了ZEA暴露模型。猪作为主要目标物种，因其对ZEA的敏感性和农业重要性；而小鼠则用于提供初步的机制线索。利用这一跨物种模型系统，我们证明ZEA通过促进ALKBH5的泛素化和随后的蛋白质降解来下调垂体中的ALKBH5。这种下调增加了SMAD4 mRNA的m⁶A修饰，进而通过招募m⁶A读取者YTHDF2促进其mRNA降解和后续蛋白质水平升高，最终抑制促性腺激素细胞中的FSH合成。这些发现将m⁶A动态与促性腺激素细胞的内分泌功能联系起来，为理解ZEA诱导的生殖毒性的机制和潜在靶点提供了见解。

章节摘要

动物与伦理声明

八头雄性巴马香猪（5-6月龄，20-28 kg）购自北京畜牧兽医研究所（中国北京）。所有猪在标准化条件下饲养，环境温度恒定为25 ± 1°C，相对湿度为60%，光暗周期为12 小时。在实验期间，所有动物自由饮水，每日两次饲喂标准饲料，每次饲喂量为15 g/kg体重。动物被随机分为阴性对照（NC）

ZEA抑制猪和小鼠垂体FSH合成并下调ALKBH5蛋白水平

在猪垂体组织中，如实验流程图所示（图1A），ZEA处理显著抑制了FSHB mRNA表达（图1B）并降低了FSH水平（图1C）。Western blot分析显示ALKBH5蛋白明显减少（图1D），而其mRNA表达保持不变（图1E）。免疫荧光染色显示，FSHB（绿色）主要局限于促性腺激素细胞，而ALKBH5（红色）呈现主要核分布

讨论

本研究阐明了ZEA通过m⁶A修饰调控垂体FSH合成的分子机制。我们的发现表明，ZEA促进ALKBH5的泛素化和降解，导致SMAD4 mRNA的m⁶A修饰增加，随后被YTHDF2识别以加速SMAD4 mRNA降解并抑制FSH产生（图8）。这一调控轴建立了环境毒素暴露与表观遗传调控之间的直接联系

结论

在本研究中，我们鉴定了一条介导对环境应激物ZEA反应的新型垂体表观遗传调控轴。总之，ZEA下调ALKBH5，导致SMAD4 mRNA的m⁶A修饰增加，随后被m⁶A读取者YTHDF2识别，从而降低SMAD4蛋白水平并抑制FSH合成。因此，我们的发现有助于更深入地理解m⁶A修饰在ZEA对动物有害影响中的关键作用

研究意义声明

本研究首次揭示了霉菌毒素玉米赤霉醇（ZEA）通过表观转录组机制破坏垂体FSH合成。我们证明ZEA特异性地下调m⁶A去甲基化酶ALKBH5，导致SMAD4 mRNA的高甲基化和降解，进而抑制FSH产生。这些发现建立了霉菌毒素毒性的新范式，超越了经典受体介导的内分泌干扰，揭示了m⁶A修饰作为关键且

基金资助

本工作得到国家自然科学基金（32130098, 32302740）、江苏省自然科学基金（BK20220577, BK20230581）、江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX25_4063）以及江苏省高校优势学科建设工程（PAPD）项目的资助。

CRediT作者贡献声明

Lu Dou：验证、方法学、调查研究。Wenjiao Liu：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、方法学、调查研究、基金获取。Di Zhang：写作 – 审阅与编辑、方法学、基金获取、概念设计。Shuai Yu：方法学、调查研究。Yewen Zhou：调查研究、基金获取。Sheng Cui：写作 – 审阅与编辑、方法学、基金获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响本文所报告的工作。

致谢

感谢扬州大学鲍文彬教授的慷慨捐赠。

Wenjiao Liu|Lu Dou|Yewen Zhou|Shuai Yu|Di Zhang|Sheng Cui