孕期酒精暴露致心脏发育异常的组蛋白乙酰化调控机制

The findings from epidemiological studies and animal experiments demonstrate that alcohol exposure during pregnancy is linked to fetal cardiac development abnormalities. However,the underlying mechanisms remain to be clarified. Our previous studies show that alcohol up-regulates histone acetylation level and the expression of cardiac core transcription factors such as Nkx2.5 and GATA4 in cardiac cell. It has been reported that, alcohol-induced histone acetylation may be related to BMP and MAPKs signalling pathway. In the proposed project, we hypothesize that alcohol induces cardiac development abnormalities via aberrant regulation on histone acetylation of the cardiac core transcription factors, and thus interrupting their spatiotemporal expression patterns through BMP and MAPKs signalling pathway. To test this hypothesis, pregnant mice will be exposed to alcohol. Histone acetylase inhibitor curcumin will be used to inhibit alcohol-induced histone hyper-acetylation. Fetal cardiac structure and histone acetylation level of the cardiac core transcription factors will be evaluated and analyzed to determine whether maternal alcohol exposure-induced cardiac development abnormalities is due to imbalance of histone acetylation homeostasis. The upstream mechanisms for alcohol-induced histone acetylation imbalance will also be studied. The present project will investigate the pathogenesis of alcohol-induced cardiac developmental abnormalities from a new perspective (e.g. environmental epigenetics). The data from this study will also provide novel scientific evidence on the epigenetic mechanisms for birth defects caused by environmental factors.

流行病学调查与动物实验显示，孕期酒精暴露可致胎儿心脏发育异常，但其发生机制仍不清楚。研究发现，酒精可提高心肌祖细胞的组蛋白乙酰化水平及Nkx2.5、GATA4等核心转录因子的表达水平；而酒精引起的组蛋白高乙酰化可能与BMP、MAPKs信号通路有关。结合本课题组前期研究基础和文献报道，本项目提出"酒精可能通过BMP、MAPKs信号通路引起心脏核心转录因子组蛋白乙酰化修饰失衡，导致核心转录因子时序表达紊乱，从而引起心脏发育异常"的科学假说。选择孕鼠进行酒精暴露，并利用组蛋白乙酰化酶抑制剂Curcumin拮抗酒精引起的组蛋白高乙酰化对胚胎心脏发育的影响，证实组蛋白乙酰化修饰失衡为孕期酒精暴露导致心脏发育异常的发生机制，并阐明其上游信号通路。本项目从环境表观遗传学的全新角度研究酒精致小鼠胚胎心脏发育异常的发生机制，为解析其他环境因素致出生缺陷的表观遗传机制奠定科学理论基础。

孕期酒精暴露可致胎儿心脏发育异常，但其发生机制仍不清楚。酒精可提高心肌祖细胞的组蛋白乙酰化水平及心脏核心转录因子的表达水平；而酒精引起的组蛋白高乙酰化与BMP、MAPKs信号通路有关。据此，本项目提出“酒精通过BMP、MAPKs信号通路引起组蛋白乙酰化修饰失衡，导致心脏核心转录因子表达紊乱，造成心脏发育异常”的科学假说。通过实验小鼠实验，我们总结出胚胎心脏发育过程中核心转录因子的组蛋白乙酰化修饰模式，以及孕期酒精暴露对子鼠心脏发育与核心转录因子组蛋白乙酰化修饰的影响。通过利用组蛋白乙酰化酶抑制剂干预孕期酒精暴露小鼠，我们发现抑制剂可拮抗酒精所致的组蛋白高乙酰化以及对胚胎心脏发育的影响，从而证实组蛋白乙酰化修饰失衡为孕期酒精暴露致子鼠心脏发育异常的发生机制之一。我们在细胞酒精暴露后，分别给予BMP，ERK，JNK信号通路特异性抑制剂，结果发现三种抑制剂在抑制各自通路的同时，均能拮抗酒精引起的组蛋白高乙酰化，并纠正酒精引起的心脏发育相关基因的表达，证明BMP、MAPKs，JNK信号通路是酒精引起心脏核心转录因子组蛋白乙酰化修饰失衡的上游信号通路。我们在试验中还发现，酒精可以使心肌细胞凋亡基因与抗凋亡基因表达失衡，引起心肌细胞凋亡增加，也可能是心肌发育异常的重要原因。由于组蛋白乙酰化修饰是细胞凋亡与增值的重要调节方式，所以我们认为组蛋白乙酰化修饰可能介导酒精引起心肌细胞凋亡。在酒精暴露后的心肌细胞中给予乙酰化酶抑制剂干预，发现组蛋白乙酰化酶活性降低的同时，凋亡基因的表达降低，而抗凋亡基因的表达增加，细胞凋亡减少，从而证实了我们的观点。本项目预期发表SCI论文3-5篇，实际发表论文11篇，其中SCI论文7篇，12次在国内外学术会议上与专家学者交流。本项目从环境表观遗传学的全新角度解析了酒精致小鼠胚胎心脏发育异常的发生机制，为研究其他环境因素致出生缺陷的表观遗传机制奠定了科学理论基础。