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技术资料/正文
Cell Metabolism │ 蜕膜TMAO代谢失调可导致反复自发性流产
21 人阅读发布时间：2026-02-03 10:04
2026年1月8日，上海交通大学赵健元、李博、复旦大学金莉萍，上海国际和平妇幼保健院李明清共同通讯在Cell Metabolism（IF=30.9）在线发表题为Endometrial stromal cell-derived TMAO sustains decidualization to prevent recurrent spontaneous abortion的研究论文。
该研究首次揭示子宫内膜间质细胞合成的三甲胺N-氧化物（TMAO）在维持胚胎早期发育所需的“子宫内膜准备”过程中发挥决定性作用，为临床上复发性流产提供了一种潜在的治疗方法。
南模生物为该研究提供了Pgr-Cre（NM-KI-200117）子宫特异性表达Cre工具鼠
反复自发性流产（RSA）被定义为在孕早期连续流产两次或以上，影响约2%的孕妇及其伴侣，并带来经济负担以及心理创伤。在致病因素中，子宫蜕膜化异常被认为是导致RSA的重要原因。
蜕膜化是一个重塑过程，其中子宫内膜基质细胞（ESC）将成纤维细胞样细胞转化为大的多边形细胞，通常称为蜕膜基质细胞（DSC）。DSC分泌催乳素（PRL）和胰岛素样生长因子结合蛋白-1（IGFBP1），它们是蜕膜化的关键调节因子，已被广泛用作人类蜕膜化的标志。
蜕膜化涉及细胞信号网络和代谢途径的复杂重新编程。通过营养干预调整代谢动态，从而调控蜕膜化，成为了减轻RSA风险的一种干预思路。
在代谢方面，胆碱及其代谢物参与体内多种重要过程。其中，研究发现，三甲胺N-氧化物（TMAO）在怀孕期间的需求大幅增加，但其具体生理或病理功能仍不清楚。
1
胆碱和TMAO浓度的下调与RSA相关
研究者采集了38例RSA患者和38名因非医学原因终止妊娠的临床正常妊娠个体样本，通过核磁共振的非靶向代谢组分析，观察两者的代谢差异。结果表明，在RSA病例的胎盘基底膜中，胆碱相关代谢产物，包括胆碱、磷酰胆碱、甘油磷胆和TMAO显著低于对照组，而在绒毛组织与血浆样本中进行了相关分析非发现明显差异。这表明与复发性流产相关的并非饮食诱导的代谢差异，而是胎盘基底膜中局部产生的胆碱相关代谢物丰度降低。
2
TMAO促进了蜕膜化过程
研究者从健康个体子宫内膜样本中分离出人原代胚胎干细胞（HpESCs），并通过体外诱导将ESCs分化为DESCs，其特征为胎盘基质标志物PRL和IGFBP1显著上调。
胆碱相关代谢产物中，研究者发现仅TMA和TMAO显著上调IGFBP1和PRL的表达，且TMAO和TMA均能促进HpESCs体外蜕膜化进程（图B-C）。
随后，研究者将FMO抑制剂I3C加入小鼠饮食中，通过抑制肝脏代谢，降低肝脏与子宫中的TMAO浓度。在妊娠第10.5天，I3C组小鼠出现明显胚胎流失倾向、胚胎体重降低以及Dtprp表达下降的蜕膜化障碍（图D-G）。
此外，标准饲料喂养小鼠的子宫TMAO浓度随妊娠天数增加而升高，并在妊娠第10.5天达到峰值，与实验组出现表型时间吻合。随后研究者采用胆碱缺乏饲料喂养以限制TMAO生成。小鼠随机分配至标准饮食组（StD）、胆碱缺乏饮食组（CDD）或补充0.5% TMAO的CDD组。在妊娠第10.5天时，与StD组相比，CDD组胚胎吸收率升高，补充TMAO后该现象得到逆转，且CDD组Dtprp表达显著降低（图H-J）。
为探究TMAO在蜕膜化过程中的作用，通过在三种不同饮食中添加芝麻油诱导假性蜕膜化反应。CDD组小鼠对刺激反应减弱，导致其滋养层瘤体积小于对照组。但补充TMAO可有效挽救该表型（图K和L）。
这些结果表明妊娠小鼠子宫内TMAO浓度下降会导致不良妊娠结局，妊娠第10.5天显著提高胎盘基底膜中的TMAO水平可预防流产。综上，TMAO（而非其他衍生物）在蜕膜化过程中具有关键作用。
3
妊娠期间FMO3表达量
可影响胎盘基底膜中TMAO浓度
研究者发现，人类健康个体胎盘基底膜中的TMAO浓度显著高于对应血浆样本。这表明，升高的TMAO水平可能由胎盘基底膜内的FMOs原位合成。
研究者重点关注了FMO家族酶中的TMA氧化特异性酶FMO3，并证实在人胚胎干细胞FMO3沉默显著抑制TMAO生成。
接下来，研究者检测人类妊娠早期FMO3的表达水平，结果显示，FMO3蛋白表达随妊娠进展呈渐进性上升，且FMO3主要表达于滋养层干细胞（DSCs）而非滋养层免疫细胞（DICs）（图A-C）。
研究者利用HpESCs建立体外蜕化模型，评估了蜕化前后FMO3的表达水平。体外蜕化后，FMO3的蛋白和mRNA水平均显著升高（图D）。
与小鼠模型相似，人类妊娠妇女的子宫内膜样本显示出显著高于非妊娠个体的TMAO水平，且随妊娠进展呈渐进性积累（图E-F）。并且复发性流产患者样本中FMO3的蛋白和mRNA（图G-I）水平均显著降低。
研究者构建了子宫特异性Fmo3特异性敲除（cKO）与特异性敲低小鼠。特异性敲除小鼠使用了Fmo3f/f； Pgrcre/+小鼠；特异性敲低小鼠使用在宫腔内注射AAV9-CMV-shFmo3。两种模型均表现出子宫TMAO水平显著降低，妊娠过程中显著增加胚胎吸收率、降低胚胎重量、吸收部位胎盘膜标志物下调等表型，表明胎盘膜化过程受损（图J-O）。
这些结果共同表明，胎盘FMO3对于维持局部TMAO浓度至关重要，而TMAO浓度反过来又支持胎盘基底膜微环境的稳态和妊娠的存活能力。
4
胎盘基底膜中FMO3的转录
依赖于PKA-CREB1通路
研究者进一步探究雌激素、8-溴环磷酸腺苷（cAMP）和醋酸甲羟孕酮（MPA）中哪一种激素主要调控FMO3的表达。在HpESCs体外模型中，cAMP显著诱导FMO3表达，而FMO1、FMO2、FMO4和FMO5的表达水平保持不变（图A和B）。
研究者进一步探究cAMP调控FMO3表达的具体机制，并利用数据库分析将目光集中在了PKA-CREB1通路上。PKA抑制剂H89可阻断8-溴-cAMP诱导的FMO3积累（图C-D）。敲低CREB1后，FMO3 mRNA和蛋白表达均显著下降（图E-F）。
CREB1可结合FMO3启动子中−684至−672及+102至+114位点，而其中+102/+114位点影响CREB1的转录活性（图G-I）。此外，在复发性流产患者的胎盘组织中，经CREB1免疫沉淀的FMO3 +102/+114区域表达水平低于对照组，CREB1磷酸化水平降低（图J-K）。
研究者通过使用H89抑制PKA或通过shRNA敲低CREB1或敲低FMO3均观察到TMA诱导的蜕膜化促进作用减弱（图L-N），这些综合结果有力证明：cAMP-CREB1信号通路在激活FMO3表达中发挥关键作用，而FMO3表达又正向调控胎盘形成过程。
5
TMAO促进FOXO1向细胞核的转位
为确定TMAO促进蜕膜化的具体机制，研究人员首先证明其TMAO作用机制与渗透调节无关，而是通过激活PERK促进FOXO1表达。
在HpESCs体外模型中，FOXO1抑制剂AS1842856阻断了TMAO对蜕膜化作用的影响。而使用TMAO处理可抑制HpESCs中AKT的磷酸化，且TMAO在不同剂量（0.01-5 mM）和时间点（最长6小时）范围内均可影响FOXO1磷酸化水平，而未改变FOXO1的表达水平（图B-D）。这些发现表明，尽管TMAO可通过PERK依赖性积累和AKT依赖性去磷酸化双重途径调节FOXO1，但在胎盘基底膜中观察到的生理浓度下，AKT介导的机制可能占主导地位。
之后研究者分离并分析HESCs的核和胞质组分。结果发现，TMAO显著提高了核内FOXO1的表达水平，降低了胞质中磷酸化FOXO1的水平，促进了FOXO1向细胞核的转位（图E-F）。仅在cAMP存在时，TMAO才促进FOXO1在细胞核内的积累（图G-H）。对比复发性流产患者与对照组的胎盘组织，复发性流产患者体内磷酸化FOXO1水平显著升高（图I）。
6
TMAO与14-3-3η蛋白互作，增强14-3-3η与
PDK1的结合，从而提升FOXO1的转录活性
研究者进一步探究TMAO如何降低FOXO1的磷酸化水平并促进其核定位。通过有限蛋白水解-小分子映射技术（LiP-SMap）与药物亲和力响应靶标稳定性（DARTS）实验，研究者锁定了14-3-3η（由YWHAH基因编码）与TMAO呈现强相互作用，拥有显著增强的热稳定性（图A-D）。
为探究14-3-3η与TMAO的潜在相互作用位点，研究者进行分子对接模拟，并用突变体证实D214和D218是介导TMAO与14-3-3η特异性相互作用的关键残基（图B-E）。综合上述功能分析表明，TMAO可直接与14-3-3η结合。
结构预测进一步揭示，TMAO结合位点位于14-3-3η与PDK1相互作用的界面（图E）。IP与GST沉淀实验证实，TMAO处理显著增强了14-3-3η-PDK1相互作用，且依赖于D214、D218位点（图F-H）。14-3-3η抑制剂BV02阻断了TMAO介导的结合增强作用（图I）。此外，TMAO抑制了PDK1-AKT通路和FOXO1核转位，而敲低14-3-3η可消除这种抑制作用（图J-K）。并且无论是敲低14-3-3η或是使用抑制剂BV02均会损害体外蜕膜化过程并激活AKT-FOXO1通路，导致该系统对TMAO的挽救作用无反应（图L-M）。
7
TMAO挽救了部分复发性流产患者
来源的HpESCs的蜕膜化过程
为评估TMAO在复发性流产中的治疗潜力，研究者收集了RSA患者的子宫内膜组织，并分离出HpESCs进行体外蜕膜化培养，以检测TMAO能否挽救蜕膜化过程。
在第1组34例患者HpESCs的蜕膜化实验中，18份HpESC样本在诱导过程无法实现正常蜕化。添加TMAO后，5份样本的蜕化能力获得挽救。在第2组26例患者HpESCs中，4份功能受损的样本在TMAO处理后实现了功能恢复（图A）。综合而言，TMAO使15%（9/60）患者来源的HpESCs恢复了蜕膜化能力。两个独立组别中一致的发现表明，TMAO可特异性挽救部分RSA患者的脱落膜化功能障碍。此外，在TMAO响应型患者中，经TMAO处理后观察到FOXO1蛋白积累及磷酸化FOXO1显著下调（图B）。综上，本研究为RSA患者和TMAO水平异常者提出了一种新的干预策略。
关于我们
上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，简称"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科创板上市高科技生物公司（股票代码：688265），始终以编辑基因、解码生命为己任，专注于模式生物领域，打造了以基因修饰动物模型研发为核心，涵盖多物种模型构建、饲养繁育、表型分析、药物临床前评价等多个技术平台，致力于为全球高校、科研院所、制药企业等客户提供全方位、一体化的基因修饰动物模型产品解决方案。