生物鐘基因調控妊娠并發癥及其對子代發育的影響*

張雨淋，楊春燕，劉美姿，馮曉玲

（1.黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院，黑龍江 哈爾濱 150040）

生物鐘基因是使生物體產生晝夜節律并控制其運轉的基因，生物鐘基因及其蛋白以轉錄-翻譯反饋回路表達，周期約為24 h[1]。女性的卵巢、子宮、輸卵管等生殖器官都存在生物鐘基因，其節律性表達調控下丘腦-垂體-卵巢軸（hypothalamicpituitary-ovarian axis,HPOA），促進妊娠期胚胎發育，對于母胎健康具有重要意義[2]。胚胎植入過程需要胚胎與子宮內膜之間協調的相互作用，若胚胎與子宮內膜之間發育不同步將會導致種植失敗，而母體的晝夜節律紊亂會干擾子宮內膜基質細胞的分化[3]。在人胎盤形成過程中，外滲滋養細胞（extravillous trophoblast,EVT）侵入母體蛻膜，重建母體螺旋狀動脈，通過降低動脈收縮力來維持母體足夠的血液流入絨毛間隙，如果這種血管重建在妊娠早期受到母體生物鐘基因調控而中斷，隨之而來的胎盤絨毛間隙血供不良將引起胎盤功能障礙，同時誘發各種妊娠并發癥，如妊娠糖尿病（gestational diabetes mellitus,GDM）、妊娠期高血壓疾病、早產、流產、胎兒生長受限、甚至出現胎兒出生后發育異常等[4]。

1 生物鐘基因概述

在哺乳動物中，生物鐘系統同步每日的穩態節律，使生物體能夠在時間上協調生理，并使其與地球物理時間保持一致。普遍存在的節律轉錄程序由核心時鐘轉錄因子網絡控制，包括腦和肌肉芳亭烴受體核轉錄因子樣蛋白1（brain and muscle Arnt-like protein1,Bmal1）、晝夜節律運動輸出周期（Clock）、阻遏物周期（Period,PER）和隱花色素蛋白（Cryptochrome，CRY），Clock-Bmal1 靶基因包括孤兒核激素受體Rev-erbα 和Rev-erbβ，也稱為核受體亞家族1 組D 成員1 和2（nuclear receptor subfamily 1 group D member,NR1D1/NR1D2），其與視黃酸相關孤兒核受體α、β 和γ（retinoic acid receptor-related orphan receptor,RORα/β/γ）共同構成第二環，從而保證Bmal1 的節律性表達，中央和外圍振蕩器基于生物鐘基因的節律性表達產生晝夜節律振蕩[5]。生物鐘基因具有復雜的轉錄-翻譯反饋回路，其中轉錄因子Bmal1 和Clock 控制由基因PER1、2、3 和Cry1 和2 編碼的負因子的節律性表達，同時這些負因子反饋并抑制Bmal1 和Clock 基因的表達，Bmal1 和Clock 形成的異二聚體也積極激活PER、CRY 和Rev-erbα 的表達，內源性的晝夜節律計時器主要由位于下丘腦的視交叉神經上核（suprachiasmatic nucleus,SCN）、非SCN 大腦結構和體內的大量細胞振蕩器組成，能夠對日常環境的變化迅速做出反應，使體內的生物鐘與外界環境趨于一致[6]。

2 母體生物鐘基因與妊娠并發癥

2.1 母體生物鐘基因與GDM

GDM 是指妊娠期女性出現的糖代謝異常[7]。與非妊娠狀態相比，孕婦體內需要分泌更多的因子來拮抗胰島素，于是糖代謝水平容易發生改變。伴隨生物節律的紊亂，若通過干擾生物鐘基因的表達，會進一步加重胰島素抵抗、胰腺功能障礙，抑制夜間褪黑素的分泌、進食時間異常等導致糖耐量受損[8]。一項樣本量為10 038 例孕婦的前瞻性隊列研究結果表明，通過分析妊娠期夜間和不規則輪班工作所產生的不良妊娠結局，最終證實了夜班工作與GDM 密切相關，這種關系可能由睡眠時間的變異性介導[9]。腸道微生物群已被確定為參與宿主晝夜節律響應飲食線索的關鍵參與者，其自身也經歷晝夜振蕩，妊娠期婦女晚睡進食異常激活肝臟代謝及腸道菌群的調控，腸道微生物群主要通過激活宿主過氧化物酶增殖物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptors,PPAR）的晝夜節律來調節肝臟脂質代謝[10]。生物鐘與組織轉錄之間的不協調使孕婦糖脂代謝紊亂，引起妊娠肥胖，而不良的妊娠代謝狀態使胎兒暴露在次優的宮內環境中，這可能會破壞胎兒發育，并對后代健康和疾病產生長期影響[11]。

2.2 母體生物鐘基因與子癇前期

子癇前期（Preeclampsia,PE）是妊娠期女性嚴重并發癥之一，其特征是高血壓發作，全身小血管痙攣、內皮損傷及局部缺血[12]。研究發現，來自子癇前期女性的胎盤中CRY1 mRNA 相對表達量升高，NR1D2 和PER3 mRNA 相對表達量降低，這表明NR1D2、Clock 和PER3 的共改變與足月子癇前期顯著相關[13]。產前胎兒缺氧對心臟、血管及腎臟形態學功能變化有重要影響，是妊娠期高血壓疾病的危險因素。據報道低氧誘導因子（hypoxiainducible factor,HIF）與生物鐘基因相互作用，HIF-1α 控制多個晝夜節律基因的表達，產前缺氧會降低晝夜節律的振幅，而胎兒的抗氧化能力較弱，胎兒不足以克服活性氧（reactive oxygen species,ROS）的過量產生，對24 h 內產前缺氧的晝夜節律具有高敏感性，因此母體健康狀況和環境條件對胎兒的氧氣供應至關重要[14]。妊娠期缺氧可通過沉默生物鐘基因Clock 表達，提高調節滋養層細胞的增殖、遷移及侵襲能力，由于Clock 比HIF 更穩定，因此被認為是胎盤缺氧更可靠的標志[15]。

研究發現，妊娠期高血壓疾病婦女在妊娠晚期由于生物鐘基因缺失致使蛻膜活檢中子宮自然殺傷細胞（uterine natural killer cells,uNK）數量減少，尤其是在母體uNK 細胞直接與胎兒滋養層相互作用的海綿層、滋養層，這表明局部細胞因子的失衡在病理性妊娠的滋養層侵襲和螺旋動脈轉化中起重要作用[16]。螺旋動脈減少或缺失滋養細胞浸潤被認為是先兆子癇的原因之一，螺旋動脈重塑不良的胎盤發育異常會對胎盤血流動力學和胎盤擴散能力產生不利影響，絨毛發育異常也可導致胎兒氧合降低，危及胎兒發育[17]。有研究表明，通過外源性添加孕激素介導糖皮質激素受體可調節uNK細胞，從而減少妊娠期高血壓疾病發生[18]。還有研究發現，褪黑素是一種多效性化合物，不僅調節晝夜節律蛋白，還具有很強的抗氧化作用，降低了平均動脈血壓，改善壓力反射控制[19]。

2.3 母體生物鐘基因與流產

妊娠是同種半異型體胎兒的移植過程，母胎界面良好的免疫耐受狀態至關重要[20]。在母胎界面中，子宮內膜基質細胞（endometrial stromal cells,ESCs）的正常蛻膜化、滋養細胞侵襲的精密調控在很大程度上影響妊娠結局；子宮內膜異常表達的PER2 基因可調節相關蛋白質編碼基因1（Shootin 1,SHTN1）、前列腺六跨膜上皮抗原4（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 4,STEAP4）和Kruppel 樣因子5（Kruppel-like factor 5,KLF5），引起子宮內膜容受性受損，導致復發性植入失敗（recurrent implantation failure,RIF）[21]。目前研究認為，在妊娠早期的不同階段，生物鐘基因表達下調會增加流產的風險，并且雌性小鼠敲除生物鐘基因后出現了多器官功能障礙和不孕[22]。子宮內的生物鐘基因Bmal1 表達在一定程度上調節母體的生殖功能，但不能維持妊娠，主要是胚胎發育和卵巢產生的孕酮不足以實現胚胎著床；一旦子宮內的Bmal1 基因缺失會引發胎盤結構異常，損害胎盤血運并誘導宮內胎兒死亡[23]。研究表明，22.37%（17/76）不孕或流產的患者伴有睡眠障礙，同時出現Rev-erbα 表達下降和ESCs 蛻膜缺陷，Rev-erbα 可介導白細胞介素-6（Interleukin6,IL-6）及其受體調控蛻膜化。Rev-erbα 激動劑和促炎細胞因子IL-6 的中和抗體可作為未來治療睡眠障礙引起流產的新靶點[24]。研究證實，通過補充孕酮或正常卵巢移植可以挽救胚胎著床失敗，孕酮主要通過糖皮質激素受體調節NK 細胞，從而使海綿滋養層uNK 細胞上CD161 表達，抑制NK 細胞的殺傷性實現免疫耐受，對于不明原因的復發性流產的婦女流產也有預防作用[25]。

2.4 母體生物鐘基因與早產

早產是世界上嬰兒死亡的最常見原因，ZHOU等[26]最近發現，在自發性早產（spontaneous preterm birth,sPTB）婦女的母體血液和子癇前期婦女的胎盤中，驅動細胞晝夜節律的分子鐘基因是不受調控的，5 個晝夜lincRNAs 參與了導致sPTB 的胎盤交織病理生理過程。在一項樣本量為190 例健康女性的前瞻性縱向觀察性研究中，評估了孕前睡眠時間對胎兒冠臀長（crown rump length,CRL）和卵黃囊大小的影響，睡眠時間越短，卵黃囊和CRL 越大，且早產風險增加[27]。光是生物鐘最重要的光誘導劑，位于視交叉上核。據報道持續人造光（continuous artificial light,LL）擾亂了中央和外周（子宮和卵巢）時鐘基因的穩定性，導致孕鼠發情周期和孕酮水平改變，以及子宮生理關鍵標志物失調，除了SCN 上Per2 基因失衡外，LL 顯著改變了SCN、卵巢和子宮中24 h 周期時鐘基因轉錄物之間的協調性，出現產后維護不良，進一步增加早產風險[28]，此外，一項系統回顧和薈萃分析表明，睡眠時間短和睡眠質量差可致使早產發生，懷孕期間失眠和睡眠呼吸暫停分別使早產的風險增加30%和40%。與一般人群相比，孕婦更容易遇到與睡眠有關的問題，睡眠時間最短的女性早產的可能性是睡眠時間最長的女性的1.23 倍，而睡眠時間短和睡眠質量差可能是由壓力引起的，作為一種生理壓力源，壓力“過載”和應激系統的激活可通過損害下丘腦-垂體-腎上腺軸和激活促炎系統而導致早產[29]。

3 母體生物鐘基因與子代發育

3.1 子代母源生物鐘基因的獲得

健康與疾病的發育起源理論認為，除了成人期的生活方式和基因遺傳之外，如果生命在發育過程的早期（包括胎兒和嬰幼兒時期）經歷不利因素如營養或環境不良等，將會增加其成年后罹患肥胖、糖尿病、心血管疾病等慢性疾病的概率，這種影響甚至會持續好幾代人[30]。胎兒晝夜節律系統在妊娠期間逐漸發育，同時受到母體體溫、喂養及激素周期的影響，發育中的胎兒晝夜節律系統可以由外部環境編程，時鐘紊亂改變了上游基因的調控，從而擾亂了母體產前和產后子宮健康的晝夜節律協調。胎盤位于發育中的母體晝夜節律系統和發育中的胎兒晝夜節律系統的邊界，可能是生理晝夜節律時鐘系統的外周振蕩器，將母體光信號和其他信號傳遞給胎兒，母體的雌孕激素具有晝夜節律性，其中孕激素改變了晝夜節律信號和下丘腦-垂體-性腺軸的基因[31]。

晝夜節律信號由母親通過胎盤傳遞給胎兒，氧氣、褪黑素和糖皮質激素（Glucocorticoid,GC）的節律為外圍時鐘提供同步信號，其中氧的生理節律重置了細胞中的分子鐘，缺氧反應的轉錄因子與生物鐘基因之間存在雙向關系，胎兒產前缺氧的晝夜節律具有高敏感性[12]，母體褪黑素和GC可以橫貫胎盤，因此其可以向胎兒提供暫時的信號，胎盤來源的褪黑素還具有多效性生物學功能，控制晝夜節律、氧化還原穩態、炎癥、表觀遺傳調節和胎兒發育[32]，妊娠期間生物時鐘紊亂，以及褪黑素減少/缺失，可作為慢性疾病風險增加的預測因素。此外，產前母體壓力也對子代的晝夜節律系統有長期影響。有研究觀察到母胎之間單個SCN 神經元之間不同步，中央振蕩器和外周組織中的典型生物鐘基因節律受損，于是胎兒的內源性晝夜節律受損，并在出生后才開始自主發揮作用，因此，母體和胎盤之間健康傳遞對防止后代患上非傳染性疾病至關重要[33]。

3.2 子代母源生物鐘基因與代謝系統發育

妊娠期間晝夜節律紊亂使母體的新陳代謝發生變化，為確保胎兒最佳發育，孕婦體內出現胰島素抵抗，從而為胎兒提供充足的葡萄糖，當高血糖孕婦的胰腺不能產生足夠的胰島素來維持血糖時，更多的葡萄糖就會通過胎盤屏障進入胎兒，致使胎兒出現高血糖，因此，胎兒高胰島素血癥會導致胎兒的大小和代謝增加[34]。孕婦皮質酮水平在懷孕期間顯著增加，并表現出晝夜節律，在懷孕結束時消失，GC 可以在胎兒體內設定晝夜節律，并加速晝夜節律振蕩器和晝夜節律的發展，褪黑素和GC 是胎兒的重要同步因素[35]，褪黑素作為一種有效的自由基清除劑、抗氧化劑和細胞保護劑，對母體-胎盤-胎兒起著關鍵的保護作用，能夠改善胎盤功能，并直接作用于許多胎兒發育器官，抑制母體褪黑素會導致胎兒生長發育遲緩（intrauterine growth retardation,IUGR）、幾種基因的差異表達及胎兒腎上腺皮質酮節律的改變[36]。此外，胎盤葡萄糖和氨基酸轉運蛋白的表達也可能表現出晝夜節律，生物鐘可以直接調節表觀遺傳修飾酶，而這些酶反過來又對生物鐘產生反饋，有助于振蕩子的相互調節。

3.3 子代母源生物鐘基因與神經系統發育

妊娠期間母體的內分泌信號驅動胎兒發育并在一定程度上影響子代的神經功能，與內源性晝夜節律GC 節律相比，接受GC 治療的母親其后代更易出現焦慮、壓力應對受損和應激軸調節失調，這表明母體穩態GC 的破壞、妊娠期間的壓力及其晝夜節律紊亂都會增加子代在未來發展成精神疾病的風險[37]。此外，母親的活動/進食狀態可能觸發胎兒SCN 的神經元活動，導致相關基因表達的節律變化，生物鐘系統與下丘腦-垂體-腎上腺軸（the hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPAO）之間具有很強的相互作用，光激活的中央時鐘通過SCN和下丘腦室旁核（paraventricular nucleus of hypothalamus PVN）之間的突觸控制HPAO 軸，從而誘導腎上腺GC 的釋放，子代的生物鐘基因可通過控制下丘腦GC 受體（glucocorticoid receptor,GR）的可用性來確定應激軸對GC 治療的敏感性，白天活躍的Rev-erbα 作為Bmal1 表達的抑制劑，能夠穩定GR 的核定位，增強其轉錄活性，通過這種復雜的相互作用網絡，GC 和生物鐘基因可以相互調節，但過量的GC 會使這一屏障飽和，干擾生物鐘和壓力系統的發育程序[33]。

3.4 子代母源生物鐘基因與循環系統發育

生物鐘基因能改變胎兒產前缺氧對心血管系統的影響，導致成年后高血壓和心血管疾病的發生，因為所有重要器官（腎臟、心臟及血管）都受位于大腦下丘腦視交叉上核的主晝夜節律振蕩器的控制；此外，其通過體液和神經途徑同步[32]。母體與胎兒的血液不混合，但它們的循環在胎兒-母體界面中非常接近。胎盤血管活性物質從胎盤釋放到胎兒體內，從而調節對缺氧的反應，缺氧導致ROS 增加，一氧化碳NO 減少，胎兒ROS/NO表示外周血管收縮增強，并使血流從外周循環重新分布到重要器官，如大腦和心臟，氧氣通過濃度梯度的簡單擴散穿過胎盤屏障，因此，其運輸效率主要取決于子宮血流、胎盤形態及胎盤代謝。若胎盤發育受到干擾，胎盤供氧可能會受到限制，胎盤屏障變厚，交換表面積縮小，導致胎兒生長受限[38]。正是由于產前缺氧，胎兒激活復雜的適應性調節機制，包括化學反射、自主神經系統、NO、ROS、腺苷、兒茶酚胺和腎素-血管緊張素-醛固酮系統，這些機制可由胎盤和母體體液因素調節，其中胎盤起關鍵作用，其可以補償低氧分壓，從而維持胎兒的需求[39]。因此，生物鐘基因調節晝夜節律系統為未來產前計劃的制訂和防止成年后心血管高血壓的發生開辟了新的途徑。

4 總結與展望

胎盤是妊娠過程中母體與胎兒之間進行物質交換的重要場所。近年來研究證實，人胎盤存在生物鐘基因，其參與整個妊娠過程，包括激素分泌、排卵、受精與著床。當生物鐘基因異常表達時，會引起多種妊娠并發癥并通過胎盤傳遞給子代，一旦發生突變，不僅影響胚胎在妊娠早期種植及后期生長發育過程，而且還會對子代的發育系統產生影響。此外，光周期-信號傳導-基因表達-生殖調控是一個復雜的系統，生物鐘基因的組蛋白修飾、組蛋白變異、DNA 甲基化等會引起表觀遺傳學的變化，這是否與妊娠相關疾病的發生存在聯系仍需進一步研究。同時，鑒于母體生物鐘基因對子代的影響只有少數的人類研究，而且這些觀察性研究不能直接建立孕產婦晝夜節律中斷與后代終身健康之間的因果關系，因此建立動物模型對于確定哪些機制可能影響后代表型的規劃，并制訂特定預防干預措施至關重要。