Cell Rep Med：赵健元/孙锟/曹婧/周翔宇合作团队发现孕期高棕榈酸致子代先天性心脏病的机制

先天性心脏病（先心病）是最常见的出生缺陷，全球先心病发病率约 8‰-12‰，每年约有 130 万的先心病患儿出生。在我国，每年有约 10-15 万先心病新生儿出生，尤其是随着「二孩」和「三孩」政策全面实施后，预计因高龄、高危孕妇比例增加等原因，先心病在很长一个时期内可能维持高发甚至上升趋势，给社会和家庭造成巨额疾病经济负担。孕期营养状况是影响胚胎发育的重要因素之一。既往人群和动物模型研究发现，母体脂质代谢异常、肥胖、高脂饮食摄入等均会增加子代先心病的发生率，具体机制尚不明确。

同型半胱氨酸（Hcy）是 CHD 的独立风险因素，团队前期系列研究成果阐述了 Hcy 代谢异常及同型半胱氨酸化修饰（K-Hcy）的致病机制（Circulation 2017；Cell Reports 2018；EMBO Molecular Medicine 2020；Nature Communications 2022），进一步团队发现孕早期孕妇高亮氨酸也会增大子代先心病发生风险，提示富营养可能是出生缺陷的重要诱发因素。

本项目从临床样本入手，发现总脂肪酸含量在先心病患儿母亲血清中显著上升，其中棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸水平的与先心病发生呈正相关关系。为确定是哪种脂肪酸诱导了心脏发育异常，团队使用上述脂肪酸饲喂孕鼠，并统计其子代先心病的发病情况。实验结果显示，高棕榈酸饲喂的子代出现了明显 ASD 和 VSD 表型，而其他脂肪酸饲喂的子代则未观察到先心病的表型，提示棕榈酸是导致心脏发育异常的致病代谢物。

在机制研究中，通过体外生化、分子细胞和小鼠模型不同层次的研究，我们发现棕榈酸可特异的通过 NF-κB 通路激活甲硫氨酰 tRNA 合成酶（MARS）的表达及其催化赖氨酸同型半胱氨酸修饰（K-Hcy）水平，并通过对转录因子的筛查发现心脏发育关键转录因子 GATA4 会因与 MARS 的互作而发生 K-Hcy 修饰，进而导致 GATA4 信号的阻断和心脏发育的异常。尽管给孕鼠饲喂棕榈酸和 Hcy 均可引起升高的 K-Hcy 修饰和子代先心病发生率，但补服叶酸只对后者引发的先心病表型有干预作用，而无法降低饲喂高棕榈酸引起的高 K-Hcy 和高先心病发生率。

然而，在小鼠中，通过基因编辑构建 Mars 杂合敲除小鼠以降低 MARS 表达或用小分子化合物抑制 MARS 活性，可以阻断棕榈酸的致畸效应。提示棕榈酸导致的 MARS 激活可能是叶酸不应答的诱发因素之一，在发现新型先心病致病代谢物的同时也为先心病的早期干预提供了新线索。

该研究成果在 2023 年 2 月 20 日以题为 Gestational palmitic acid suppresses embryonic GATA-binding protein 4 signaling and causes congenital heart disease 的研究论文发表于 Cell Press 细胞出版社期刊 Cell Reports Medicine 上发表题为的研究论文。上海交通大学医学院附属新华医院的赵健元教授、孙锟教授、郑州大学基础医学院的曹婧教授和复旦大学附属妇产科医院的周翔宇研究员为共同通讯作者，上海交通大学医学院附属新华医院的赵瑞博士、复旦大学附属妇产科医院的曹丽副主任医师、复旦大学生科院顾文君博士、郑州大学基础医学院李磊博士和上海交通大学医学院附属儿童医院的陈仲中博士为共同第一作者。该研究得到国家自然基金委、科技部 973 计划等项目的资助。

孕期棕榈酸水平升高与子代先心病风险上升相关

 

为研究脂质代谢异常与先心病的关系，研究人员收集了正常对照、孕有室间隔缺损（VSD）和房间隔缺损（ASD）患儿的母亲孕早期血清各 16 例，使用 GC-FID/MS 对脂肪酸进行定量分析，发现总脂肪酸含量在先心病患儿母亲血清中显著上升，其中棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸水平的与先心病发生呈正相关关系。为确定是哪种脂肪酸诱导了心脏发育异常，作者使用上述脂肪酸饲喂孕鼠，并统计其子代先心病的发病情况。实验结果显示，高棕榈酸饲喂的子代出现了明显 ASD 和 VSD 表型，而其他脂肪酸饲喂的子代则未观察到先心病的表型，提示棕榈酸是导致心脏发育异常的致病代谢物。

 

 

棕榈酸通过 NF-κB 激活 MARS 转录，并提高 K-Hcy 修饰

 

在动物模型中确认了棕榈酸致畸效果后，作者进一步探究棕榈酸导致心脏发育异常的具体机制。该研究团队先前研究发现高脂饮食会导致甲硫氨酰 tRNA 合成酶 MARS 和 K-Hcy 修饰水平的上升，但机制尚未阐明，因此猜测高脂饮食中含量丰富的棕榈酸可能是关键信号分子。作者检测了孕期高棕榈酸饲喂的子代小鼠心脏组织，发现 MARS 和 K-Hcy 水平相较于对照组均显著上升；细胞实验中发现棕榈酸处理可以以时间和浓度依赖性增加 MARS 的 mRNA 和蛋白表达，提高细胞整体 K-Hcy 修饰水平。值得注意的是，上述现象无法被叶酸处理所逆转，叶酸可以降低 Hcy 水平，但却无法抑制 MARS 的转录激活，因此棕榈酸提高 K-Hcy 水平无法被叶酸抑制，这可能是临床上叶酸不应答的潜在原因之一。通过分析 MARS 基因启动子上转录因子结合序列，结合已报道的响应棕榈酸的细胞内信号通路，作者发现 NF-κB 通路可被棕榈酸激活，磷酸化的 NF-κB p65 可结合于 MARS 启动子区域并激活 MARS 基因转录，在高棕榈酸小鼠模型的子代小鼠心脏中，也检测到了 NF-κB 通路的激活。

 

 

MARS 催化 GATA4 发生 K-Hcy 修饰，抑制其转录因子活性

 

作者接下来探究 K-Hcy 的上升如何导致心脏发育异常。作者通过筛选发现心脏发育关键的转录因子 GATA4 与 MARS 存在相互作用，MARS 结合 GATA4 并催化其 K300 位点发生 K-Hcy 修饰，该位点位于其锌指结构域附近，K-Hcy 的存在抑制了 GATA4 结合 DNA 的能力，其转录因子活性受到抑制。作者进一步通过位点突变等实验证实棕榈酸提高 GATA4 K300 位点的 K-Hcy 修饰，抑制 GATA4 转录因子活性，抑制了其靶基因导致了心脏发育阶段基因表达的紊乱。

 

 

抑制 K-Hcy 缓解孕期高棕榈酸的致畸效果

 

基于 MARS 在棕榈酸致畸作用中发挥重要功能，作者评估抑制 MARS 是否可缓解棕榈酸的致畸效果。在细胞层面，作者使用了 K-Hcy 修饰的抑制剂 N-乙酰半胱氨酸（NAC），发现其可抑制棕榈酸导致的 K-Hcy 修饰上升，降低 GATA4 的 K-Hcy 修饰水平并提高其转录因子活性；动物层面，作者构建了 Mars 杂合敲除小鼠，发现 Mars 杂合敲除可降低孕期高棕榈酸饲喂母鼠后代的先心病发生率，孕期 NAC 饲喂也具有类似的缓解效果。以上结果共同提示了 MARS 及 K-Hcy 修饰是先心病的干预新靶点。

 

 

总结

 

研究人员通过分析正常对照和孕有先心病患儿的母亲血清，发现棕榈酸与子代先心病具有强相关性，进而通过高脂肪酸饲喂孕鼠模型证实了棕榈酸具有致子代心脏发育异常的作用。机制方面，棕榈酸通过激活 NF-κB p65 增加了甲硫氨酰 tRNA 合成酶 MARS 的转录。MARS 与心脏发育关键转录因子 GATA4 结合，催化其 K300 位点发生同型半胱氨酸化修饰（K-Hcy），该位点位于其锌指结构域附近，抑制了 GATA4 与 DNA 的结合能力，从而抑制了其转录活性，导致了胚胎心脏发育异常。研究人员还发现，使用 K-Hcy 修饰的抑制剂 N-乙酰半胱氨酸（NAC）可抑制 MARS 催化 K-Hcy 修饰的活性，恢复 GATA4 的转录因子活性，在小鼠模型中 NAC 可降低高棕榈酸孕鼠子代先心病的发生率（图 1）。该研究建立了脂肪酸信号与转录因子活性的联系，为研究代谢重编程促进先心病等出生缺陷发生的分子机理奠定了基础，也为发展基于营养代谢调控的先心病干预新手段提供了新方向。

图 1. 研究概要图。