从母体外周血中探寻宫内发育迟缓的DNA甲基化生物标志物研究

Intrauterine growth retardation (IUGR) is a common birth defect disease and is still lack of early and sensitive biomarkers in clinical. In addition to genetic factors, IUGR occurred largely because of poor intrauterine environment during pregnancy. Alterations in maternal DNA methylation can alter gene expression, and may indirectly affect the fetus through changes in the maternal environment. These DNA methylation patterns may be used as biomarkers that reflect the birth defects. Our recent studies suggest that alterations of maternal methylation in a group of genes involved in placental function and fetal development are related with increased susceptibility of IUGR. They may serve as biomarkers for early prediction. Therefore, our current study firstly detect and compare the genome-wide DNA methylation patterns in maternal peripheral blood between the normal control mother and IUGR mother, to identify candidate genes and their epigenetic marks that with increased susceptibility of IUGR. On the basis of these, to confirm the role of these genes in the IUGR development, we further targeted knockout or overexpress the candidate genes by the application of transcription activator-like effectors (TALE) technology. And then we validate the DNA methylation marks of candidate genes in human peripheral blood to ultimately confirm that these maternal peripheral blood biomarkers can be used for the early diagnosis of IUGR. Our current study can provide new ideas and means for subsequent pregnancy risk assessment and prenatal early screening and diagnosis technology in clinical.

宫内发育迟缓（IUGR）是一类常见的出生缺陷病，目前临床尚缺乏早期、灵敏的生物标志物。IUGR的发生除先天遗传因素外，很大程度上是因为孕期宫内环境欠佳所致。母体异常的DNA甲基化修饰模式可改变基因表达，造成异常的胚胎宫内环境，可能作为反映出生缺陷的生物标志物。我们的近期研究提示，母体外周血中11β-HSD2等一组与胎盘功能、胎儿生长发育相关的重要基因及其表观遗传标记可能作为生物标志物，对IUGR进行早期预测。因此，本项目首先检测并比较IUGR母体和正常母体外周血中差异性全基因组甲基化谱，鉴定出与IUGR易感性升高有关的候选基因及其表观遗传标记；进一步在此基础上应用TALE技术对候选基因进行靶向敲除或过表达，以确定这些基因在IUGR发生中的作用。然后在人体中进行验证，最终探寻到可反映IUGR易感的母体外周血生物标志物。为后续建立临床孕前风险评估和产前早期筛查诊断技术，提供新的研究思路和手段。

宫内发育迟缓（IUGR）是一类常见的出生缺陷病，目前临床尚缺乏早期、灵敏的生物标志物。IUGR的发生除先天遗传因素外，很大程度上是因为孕期宫内环境欠佳所致。母体异常的DNA甲基化修饰模式可改变基因表达，造成异常的胚胎宫内环境，可能作为反映出生缺陷的生物标志物。本项目从表观遗传修饰角度，利用重亚硫酸盐全基因组测序法（BS-seq）检测并比较IUGR母体和正常母体外周血中差异性全基因组甲基化谱，用生物信息学方法模拟预测候选基因作用的调控网络，重点分析与胎盘功能、胎儿生长发育相关的重要基因，鉴定出与IUGR易感性升高有关的候选基因及其表观遗传标记；进一步应用CRISPR/Cas9技术对候选基因进行靶向敲除，以确定候选基因在IUGR发生中的作用，最后在人体外周血中进行验证。首先，成功建立了孕期摄食限制所致大鼠IUGR模型，其母体外周血差异甲基化基因所富集的功能聚类主要涉及转录调控、细胞凋亡、心脏发育、神经发育及胎盘发育。其中，差异最为显著的转录因子中，类固醇生成因子（SF-1）启动子区甲基化频率显著升高，与胎盘凋亡及发育密切相关。而且，SF-1在外周血中的高甲基化CpG位点与胎盘中相同。因此，我们进一步在斑马鱼中利用CRISPR/Cas9技术对ff1b（SF-1的同源基因）进行靶向敲除，观察到子代胚胎出现体长降低、IUGR率升高、卵黄吸收延迟及水肿、早期发育标志基因表达降低。最后，我们收集了临床IUGR产妇的外周血，以年龄、生育史等相匹配的正常孕妇的外周血样本作为对照，发现IUGR孕妇外周血中SF1启动子区总甲基化频率显著升高，进一步验证了SF1作为反映IUGR易感的生物标志物的可能性。本项目从表观基因组学的崭新角度，为后续建立IUGR的临床孕前风险评估和产前早期筛查诊断技术，提供新的研究思路和手段。同时也在一定程度上阐明了IUGR的发生机制，对IUGR的早期干预治疗具有重要科学意义。