哺乳動物的胚胎發(fā)育過程復雜，其代謝物的調(diào)節(jié)及機制是動態(tài)且極其精細的。在妊娠中期時，隨著胚胎器官的發(fā)育，耗氧量和營養(yǎng)物質(zhì)的需求均顯著增加，代謝活動更為旺盛，而了解這些代謝過程對于胚胎發(fā)育的作用和影響至為重要。
Nature在四月的正刊發(fā)表了美國德克薩斯州立大學西南醫(yī)學中心DeBerardinis教授課題組的研究[1]，該研究使用代謝組學的方法以完整胚胎-胎盤為單位對于小鼠妊娠中期胚胎中的代謝進行了研究，揭示了妊娠中期胚胎和胎盤的代謝特征，并借助同位素標記示蹤技術(shù)，對其中的碳水化合物代謝途徑的差異和嘌呤的生物體內(nèi)快速合成進行了探索，為妊娠中期胚胎發(fā)育及胎盤營養(yǎng)的代謝機制研究提供了基礎。
\ 代謝途徑變化分析
妊娠中期是胚胎發(fā)育、胎盤及代謝變化非常明顯的階段，在這段發(fā)育過程中，胚胎和胎盤重量快速增加，心臟、大腦和肝臟等器官迅速發(fā)育，并伴隨耗氧量的增加及代謝物的輪廓劇烈波動。
在小鼠的妊娠過程中，胎盤于妊娠3.5天形成，到9.5天時可同胚胎分離，其妊娠中期(GD10.5~13.5)的胎盤及胚胎重量、代謝物輪廓熱圖及代謝物種類均有明顯變化。由于胚胎和胎盤的細胞組成和功能差異很大，所以兩種組織的代謝輪廓在整個妊娠中期的差異也非常明顯，基于LC-Orbitrap MS的代謝組學的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在GD10.5到11.5之間的波動尤為明顯(見下圖)，提示這段時間的代謝途徑變化非常劇烈。通過代謝通路富集分析及差異代謝物的對比，鎖定嘌呤和嘧啶代謝為胚胎中最重要的代謝變化，大部分嘌呤在GD10.5后持續(xù)增加，而嘧啶的量維持平穩(wěn)，故針對嘌呤的體內(nèi)合成進行進一步研究。
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\ 嘌呤合成過程研究
眾所周zhi，嘌呤在哺乳動物體內(nèi)的合成有兩種方式，從頭合成(de novo synthesis)[2]或補救合成(salvage synthesis)[3]。
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針對嘌呤的生物合成過程，使用穩(wěn)定同位素標記的方法進行了研究。在GD10.5時將[13C]葡萄糖注入懷孕的小鼠，在保持血流供應的情況下，并每隔30 min取其血、胚胎及對應胎盤，對代謝物及其[13C]同位素標記的特征峰進行動態(tài)監(jiān)測。
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在灌注4小時后，嘌呤的同位素標記比例達到穩(wěn)定狀態(tài)，在胚胎中的同位素標記程度高于胎盤，3種嘌呤(IMP、GMP和AMP)的穩(wěn)定同位素標記比例及每個同位素標記狀態(tài)由柱狀圖展示。同時發(fā)現(xiàn)，R5P中同位素標記的比例均低于3種嘌呤，且在嘌呤前體一碳單位氨基酸Ser和Gly中也發(fā)現(xiàn)明顯的同位素標記情況，提示3種嘌呤在胚胎中的生物合成均采用從頭合成的方式。
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\ 結(jié)論驗證
為驗證這個結(jié)論，作者在接下來的研究中進行了[13C]和[15N]的同時標記，在給妊娠中期小鼠[13C]葡萄糖之外，添加注射[γ-15N]谷氨酰胺一小時，不出所料，果然在3種嘌呤中發(fā)現(xiàn)了[15N]的同位素標記，從而嚴謹?shù)仳炞C了胚胎中的嘌呤是從頭合成的方式。
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使用[13C]和[15N]雙穩(wěn)定同位素標記進行代謝流的研究，對于分析儀器的分辨率要求非常高，該研究使用Q Exactive HF-X高分辨質(zhì)譜，在方法設置中使用12萬分辨率，得到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。
下圖為使用12萬分辨率設置采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過Compound Discoverer軟件分析后得到的AMP的[M+H]+特征峰及其質(zhì)譜峰，在質(zhì)譜圖中，單同位素峰M+0使用淡紫色標注，M+1同位素峰用綠色標注，放大M+1同位素峰可看到AMP的[13C]和[15N]同位素峰被準確標注，可見其同位素峰分布的準確度非常高。
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