腺苷受体2a/EGR-1调控组蛋白乙酰化修饰介导咖啡因所致胎骨骼生长抑制

Caffeine exposure during pregnancy has potential toxicity on fetal skeletal growth, but its mechanism is unclear. The applicant has found that caffeine could inhibit the procedure of endochondral ossification and down-regulated histone acetylation in epiphyseal growth plate. Some literatures suggest local histone acetylation changes are associated with endochondral ossification in epiphyseal growth plate. So we hypotheses that caffeine might inhibit the activation of cAMP/PKA and the expression of EGR-1 by antagonism of A2aR, then modified the histone acetylation levels and expression levels of functional genes (Sox9, Runx2, Ihh, Col2a1, Col10a1) in epiphyseal growth plate, and finally inhibited the fetal epiphyseal endochondral ossification process. Based on the previous work, the project plans to explore the mechanism that A2aR/EGR-1 mediated caffeine-induced inhibition of histone acetylation and genes expression levels in fetal epiphyseal growth plate in vitro. This project has important practical significances on understanding the toxicity of caffeine on skeletal growth in fetus, guiding the pregnancy health life, advocating eugenics, etc.

孕期咖啡因暴露对胎儿骨骼生长发育具有潜在毒性，但具体机制并不清楚。申请人前期研究发现：咖啡因可抑制胎骺生长板软骨内成骨，下调骺生长板区组蛋白乙酰化水平。文献提示组蛋白乙酰化改变与骺生长板软骨内成骨有关。据此我们提出科学假说：咖啡因可能通过拮抗胎骺生长板软骨腺苷受体A2aR，抑制cAMP/PKA通路活化和早期生长反应因子1（EGR-1）表达，引起骺生长板区多个功能基因（Sox9、Runx2、Ihh、Col2a1、Col10a1）的组蛋白乙酰化修饰及表达改变，进而抑制胎骺生长板软骨内成骨。本项目拟在前期动物水平研究基础上，进一步在软骨内成骨细胞模型上确证A2aR/EGR-1介导咖啡因抑制胎骺生长板区功能基因表达调控机制。本研究对深入探讨课题组前期有意义现象的机制、全面认识咖啡因对胎儿骨骼的生长发育毒性、指导优生优育具有重要的科学和现实意义。本项目的学术思想和研究内容国内外尚未见报道。

流行病学和动物实验表明，咖啡因对胎儿长骨生长具有潜在的危害，但其机制并不清楚。申请人前期发现，孕期咖啡因暴露的胎鼠股骨长度明显短于正常。基于前期工作基础，本项目首先在整体动物水平证实了孕期咖啡因暴露所致的胎鼠软骨内成骨抑制的现象，其生长板软骨处A2aR及SP-1蛋白表达下降，局部招募的HAT减少，下游功能基因Sox9、Runx2、Ihh、Col2a1、Col10a1表达均降低。进一步在细胞水平证实，咖啡因可导致胎软骨细胞A2aR、SP-1、Sox9、Runx2、Ihh、Col2a1、Col10a1基因在mRNA水平的低表达，并且Sox9、Runx2、Col10a1的组蛋白乙酰化修饰相应的降低；功能基因Sox9、Runx2、Col10a1的表达降低与其组蛋白修饰改变一致。最后，在细胞水平使用A2aR激动剂及cAMP激动剂验证了咖啡因可能是通过拮抗A2aR，下调cAMP，再继而下调SP1表达的。通过以上的系列研究，我们基本确立了“孕期咖啡因暴露—拮抗生长板软骨A2aR—cAMP/PKA通路抑制—SP-1表达下调—功能基因（Sox9、Runx2、Col10a1）组蛋白乙酰化修饰改变及表达下降—胎软骨形成抑制”的内在关系，阐明了A2aR/SP-1在介导胎骨骼发育毒性中的重要作用。本研究阐明咖啡因所致的胎软骨组织的组蛋白修饰改变，可为解析孕期咖啡因暴露致子代成年后骨骼发育异常及骨质疏松的宫内发育起源提供重要理论依据；并在全面认识咖啡因对胎儿骨骼的发育毒性，指导优生优育方面具有重要的科学和现实意义。此外，基于本项目工作基础，我们通过免疫组化检测，完成了宫内和出生后成年时期大鼠关节软骨相关基因表达的检测，发现孕期咖啡因暴露可导致大鼠软骨组织IGF-1信号通路的低编程改变，开展了部分关节骨关节炎易感方面的研究。此部分研究初步揭示了骨关节炎的宫内发育起源的现象并在动物水平加以证实，以及初步阐明其发生机制，对全面认识骨关节炎的发病机制，具有重要帮助，也为项目负责人开拓了下一步研究的方向。