КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-15-00393

НазваниеМолекулярно-клеточные механизмы воздействия гипергомоцистеинемии матери на функциональное состояние плаценты и развитие нервной системы плода

Руководитель Арутюнян Александр Вартанович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт акушерства, гинекологии и репродуктологии имени Д.О. Отта" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-101 - Экспериментальная медицина

Ключевые слова пренатальная гипергомоцистеинемия, плацента, мозг плода, ангиогенные факторы, ДНК-метилирование, транспортеры аминокислот, транспортеры глюкозы, mTOR, аутофагия, эпигенетическая регуляция экспрессии генов, микроРНК

Код ГРНТИ76.03.53

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Непротеиногенная серосодержащая аминокислота гомоцистеин (ГЦ), обладающая нейротоксическими свойствами, относится к соединениям, оказывающим при повышенном уровне в крови матери негативное воздействие как на плаценту, так и на развивающийся плод, в частности, его нервную систему (Boldyrev 2009; Curro et al. 2014; Poddar and Paul 2013; Troen 2005). Повышение уровня ГЦ в крови матери (гипергомоцистеинемия, ГГЦ), вызванная недостатком фолатов, мутациями генов ферментов метионинового цикла или избыточным поступлением метионина, считается одним из факторов риска развития осложнений беременности (преэклампсия - ПЭ, невынашивание, отслойка плаценты), а также возникновения врожденных нарушений и задержки внутриутробного роста плода (ЗВУР) (Li et al. 2015). Вместе с этим ГГЦ является патологическим фактором, вызывающим стойкие отдаленные последствия в развитии нервной и других функциональных систем растущего организма в постнатальном периоде, включая когнитивные нарушения (Ars et al. 2016; Arutjunyan et al. 2012; Baydas et al. 2007; Blaise et al. 2007; Figueiro et al. 2019; Geoffroy et al. 2019; Jadavji et al. 2015; Koz et al. 2010; Makhro et al. 2008; Schweinberger et al. 2018; Shcherbitskaya et al. 2017; Yakovleva et al. 2020). Токсические соединения, в том числе ГЦ, способны проходить через плацентарный барьер и оказывать негативное воздействие на развитие плода как напрямую, так и опосредованно, через нарушения плацентарных функций (Furukawa et al. 2011). Сложной и пока нерешенной проблемой представляется выяснение механизмов, посредством которых морфологические и функциональные нарушения в плаценте, вызванные подобными ГЦ соединениями, могут вносить свой вклад в их общее негативное воздействие на развитие плода. Поэтому актуальной является предусмотренная настоящим проектом задача комплексного изучения воздействия пренатальной ГГЦ как на плаценту, так и на развитие мозга плода. Негативное влияние материнской ГГЦ на плаценту остается малоизученным. К его возможным механизмам, в первую очередь, относят нарушения плацентарного ангиогенеза (Kasture et al. 2018; Li et al. 2015; Oosterbaan et al. 2012). Этому может способствовать негативное воздействие повышенных концентраций ГЦ на эндотелиальные клетки, приводящее к их повреждению и дисфункции (Lai and Kan 2015). Мишенью ГЦ могут также являться клетки трофобласта, поскольку при преэклампсии (ПЭ) и задержке нутриутробного развития (ЗВУР), фактором риска развития которых считается ГГЦ (Chen et al. 2018; Hague 2003; Rosario et al. 2017; Silva et al. 2017), наблюдается снижение инвазии клеток трофобласта в спиральные артерии плаценты (Burton and Jauniaux 2018; Burton et al. 2019). Воздействие высоких доз ГЦ способно вызывать у беременных животных симптомы, сходные с наблюдающимися у женщин при развитии ПЭ (Xu et al. 2016). Для изучения влияния материнской ГГЦ на рост и созревание плаценты в настоящем проекте предусмотрена оценка по морфометрическим показателям сформированности сосудистого лабиринтного слоя плаценты и его соотношения с другими функциональными слоями плаценты – губчатым и децидуальным, а также оценка пролиферативной активности и уровня активации апоптоза в клетках этих слоев. Влияние ГГЦ матери на сигнальные пути регуляции плацентарного ангиогенеза будет изучаться по экспрессии в различных отделах плаценты, помимо исследованного нами ранее VEGF, наиболее подверженных воздействию ГГЦ проангиогенных факторов: плацентарного фактора роста (PlGF) и NO-синтаз (эндотелиальной, eNOS и индуцибельной, iNOS) (Demir et al. 2012; Ostrakhovitch and Tabibzadeh 2019). Для оценки воздействия ГГЦ на процессы инвазии трофобласта и ремоделирования материнских спиральных артерий, необходимые для поступления достаточного количества материнской крови и предотвращения развития гипоксии в плаценте, в настоящем проекте планируется изучение методом иммуногистохимии степени инвазии трофобласта в сочетании с оценкой маркеров гипоксии (пимонидазол, HIF-1α) в ткани плаценты, а также измерение соотношения уровней sFlt-1/PlGF в крови самок крыс, как широко используемого показателя плацентарной дисфункции (Levine et al. 2006; Umapathy et al. 2020). В наших предыдущих исследованиях отмечалось повышение под влиянием экспериментальной ГГЦ уровня в плаценте предшественников нейротрофических факторов proBDNF и proNGF, что указывает на возможное повышение экспрессии их генов (Arutjunyan et al. 2020). Предполагается, что нейротрофины играют существенную роль в регуляции ангиогенеза в плаценте (Sahay et al. 2017). В данном проекте запланировано продолжение исследования воздействия ГГЦ на экспрессию генов нейротрофинов bdnf и ngf в плаценте и мозге плода путем оценки уровня метилирования их промоторов. Поскольку некоторые синтезируемые плацентой факторы, в частности, PlGF, могут достигать мозга плода и оказывать проангиогенное и нейротрофическое действие (Lecuyer et al. 2017), будет проведено изучение влияния ГГЦ на уровень PlGF в плаценте и мозге плода, а также экспрессию рецепторов PlGF в мозге плода. Предполагается, что нарушения формирования нервной системы плода, в том числе врожденные дефекты развития нервной трубки, фактором риска которых является снижение уровня фолатов и/или повышение содержания ГЦ в крови матери, могут быть связаны с нарушением эпигенетических регуляторных механизмов (Kim et al. 2009; Liu et al. 2020). В настоящем проекте для оценки влияния ГГЦ на процессы метилирования и эпигенетической регуляции экспрессии генов планируется оценить в плаценте уровень субстрата (S-аденозилметионина) и продукта (S-аденозилгомоцистеина) метилтрансфераз как индикатора потенциала клеточного метилирования, содержание ДНК-метилтрансфераз (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), уровень общего метилирования ДНК (5-метилцитидин) и степень метилирования отдельных гистонов. Ввиду того, что степень метилирования ДНК негативно ассоциируется со степенью ацетилирования гистонов, и ГЦ способен влиять на этот показатель (Tothova et al. 2018), предусмотрено также изучение уровня ацетилирования отдельных гистонов, а также деацетилазы сиртуина-1, обладающим защитным эффектом в отношении негативного воздействия ГЦ (Tang et al. 2018). Совершенно неизученным остается влияние материнской ГГЦ на уровне плаценты на интенсивно изучаемые в настоящее время пути эпигенетической регуляции экспрессии генов посредством микроРНК. В данном проекте предполагается впервые исследовать влияние материнской ГГЦ на уровень в плаценте микроРНК, участвующих в регуляции таких важных процессов, как инвазия трофобласта, ангиогенез, трансплацентарный транспорт, реакция на гипоксию и т.д., в том числе тех, изменения которых обнаружены ранее под воздействием ПЭ и ЗВУР (Escudero et al. 2016; Thamotharan et al. 2017). Предполагается, что одним из механизмов задержки роста и развития плода под влиянием ГГЦ является снижение трансплацентарного транспорта питательных веществ. В частности, аминокислотный транспорт может быть снижен из-за конкуренции ГЦ со сходными аминокислотами за их общие транспортеры (Jansson 2009; Tsitsiou et al. 2011). Поскольку эта гипотеза не была пока подтверждена в опытах in vivo, настоящим проектом предусматривается изучить влияние ГГЦ на содержание свободных аминокислот в сыворотке матери и плода, а также оценить уровень экспрессии в плаценте переносчиков нейтральных аминокислот систем L, y+L и А, ответственных за транспорт к плоду метионина и ГЦ (Tsitsiou et al. 2009; Tsitsiou et al. 2011). Исследование плацентарного транспорта аминокислот и функционально связанного с ним транспорта глюкозы будет проведено на препаратах микровезикул плазматических мембран синцитиотрофобласта, являющихся первичной зоной обмена между кровотоком матери и плода (Glazier and Sibley 2006). Будут также исследованы сигнальные пути, контролируемые комплексом mTORC, и функционально связанный с ними процесс активации аутофагии, ответственные за комплексную регуляцию трансплацентарного транспорта питательных веществ в зависимости от потребностей плода и количества питательных веществ в организме матери (Hussain et al. 2020). Представленный проект отличается комплексностью и новизной, его реализация позволит выявить новые механизмы нарушения развития нервной системы плода под влиянием ГГЦ матери, в которых ключевая роль принадлежит изменению функционального состояния плаценты. Полученные данные будут иметь не только теоретическую значимость, но и представлять интерес для понимания патогенеза развития таких акушерских осложнений, как преэклампсия и задержка внутриутробного развития плода. Список литературы Ars CL, Nijs IM, Marroun HE et al. (2016) Prenatal folate, homocysteine and vitamin B12 levels and child brain volumes, cognitive development and psychological functioning: the Generation R Study. British Journal of Nutrition 122:S1-S9 https://doi.org/10.1017/s0007114515002081 Arutjunyan A, Kozina L, Stvolinskiy S, Bulygina Y, Mashkina A, Khavinson V (2012) Pinealon protects the rat offspring from prenatal hyperhomocysteinemia. Int J Clin Exp Med 5:179–185 Arutjunyan AV, Milyutina YP, Shcherbitskaia AD, Kerkeshko GO, Zalozniaia IV, Mikhel AV (2020) Neurotrophins of the fetal brain and placenta in prenatal hyperhomocysteinemia. Biochemistry (Moscow) 85:248–259 https://doi.org/10.1134/S000629792002008X Baydas G, Koz ST, Tuzcu M, Nedzvetsky VS, Etem E (2007) Effects of maternal hyperhomocysteinemia induced by high methionine diet on the learning and memory performance in offspring. Int J Dev Neurosci 25:133–139 https://doi.org/10.1016/j.ijdevneu.2007.03.001 Blaise SA, Nedelec E, Schroeder H, Alberto JM, Bossenmeyer-Pourie C, Gueant JL, Daval JL (2007) Gestational vitamin B deficiency leads to homocysteine-associated brain apoptosis and alters neurobehavioral development in rats. Am J Pathol 170:667-679 https://doi.org/10.2353/ajpath.2007.060339 Boldyrev AA (2009) Molecular mechanisms of homocysteine toxicity. Biochemistry (Mosc) 74:589–598 https://doi.org/10.1134/s0006297909060017 Burton GJ, Jauniaux E (2018) Pathophysiology of placental-derived fetal growth restriction. Am J Obstet Gynecol 218:S745-S761 https://doi.org/10.1016/j.ajog.2017.11.577 Burton GJ, Redman CW, Roberts JM, Moffett A (2019) Pre-eclampsia: pathophysiology and clinical implications. BMJ 366:l2381 https://doi.org/10.1136/bmj.l2381 Chen YY, Gupta MB, Grattton R, Powell TL, Jansson T (2018) Down-regulation of placental folate transporters in intrauterine growth restriction. J Nutr Biochem 59:136-141 https://doi.org/10.1016/j.jnutbio.2018.06.003 Curro M, Gugliandolo A, Gangemi C, Risitano R, Ientile R, Caccamo D (2014) Toxic effects of mildly elevated homocysteine concentrations in neuronal-like cells. Neurochem Res 39:1485-1495 https://doi.org/10.1007/s11064-014-1338-7 Demir B, Demir S, Pasa S, Guven S, Atamer Y, Atamer A, Kocyigit Y (2012) The role of homocysteine, asymmetric dimethylarginine and nitric oxide in pre-eclampsia. J Obstet Gynaecol 32:525-528 https://doi.org/10.3109/01443615.2012.693985 Escudero CA, Herlitz K, Troncoso F, Acurio J, Aguayo C, Roberts JM, Truong G, Duncombe G, Rice G, Salomon C (2016) Role of Extracellular Vesicles and microRNAs on Dysfunctional Angiogenesis during Preeclamptic Pregnancies. Front Physiol 7:98 https://doi.org/10.3389/fphys.2016.00098 Figueiro PW, de SMD, Dos Santos TM, Prezzi CA, Rohden F, Faccioni-Heuser MC, Manfredini V, Netto CA, Wyse ATS (2019) The neuroprotective role of melatonin in a gestational hypermethioninemia model. Int J Dev Neurosci 78:198-209 https://doi.org/10.1016/j.ijdevneu.2019.08.004 Furukawa S, Hayashi S, Usuda K, Abe M, Hagio S, Ogawa I (2011) Toxicological pathology in the rat placenta. J Toxicol Pathol 24:95-111 https://doi.org/10.1293/tox.24.95 Geoffroy A, Saber-Cherif L, Pourie G, Helle D, Umoret R, Gueant JL, Bossenmeyer-Pourie C, Daval JL (2019) Developmental Impairments in a Rat Model of Methyl Donor Deficiency: Effects of a Late Maternal Supplementation with Folic Acid. Int J Mol Sci 20 https://doi.org/10.3390/ijms20040973 Glazier JD, Sibley CP (2006) In vitro methods for studying human placental amino acid transport: placental plasma membrane vesicles. Methods Mol Med 122:241-252 https://doi.org/10.1385/1-59259-989-3:241 Hague WM (2003) Homocysteine and pregnancy. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol 17:459-469 Hussain T, Tan B, Murtaza G, Metwally E, Yang H, Kalhoro MS, Kalhoro DH, Chughtai MI, Yin Y (2020) Role of Dietary Amino Acids and Nutrient Sensing System in Pregnancy Associated Disorders. Front Pharmacol 11:586979 https://doi.org/10.3389/fphar.2020.586979 Jadavji NM, Deng L, Malysheva O, Caudill MA, Rozen R (2015) MTHFR deficiency or reduced intake of folate or choline in pregnant mice results in impaired short-term memory and increased apoptosis in the hippocampus of wild-type offspring. Neuroscience 300:1-9 https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.04.067 Jansson T (2009) Novel mechanism causing restricted fetal growth: does maternal homocysteine impair placental amino acid transport? J Physiol 587:4123 https://doi.org/10.1113/jphysiol.2009.178327 Kasture VV, Sundrani DP, Joshi SR (2018) Maternal one carbon metabolism through increased oxidative stress and disturbed angiogenesis can influence placental apoptosis in preeclampsia. Life Sci 206:61–69 https://doi.org/10.1016/j.lfs.2018.05.029 Kim KC, Friso S, Choi SW (2009) DNA methylation, an epigenetic mechanism connecting folate to healthy embryonic development and aging. J Nutr Biochem 20:917–926 https://doi.org/10.1016/j.jnutbio.2009.06.008 Koz ST, Gouwy NT, Demir N, Nedzvetsky VS, Etem E, Baydas G (2010) Effects of maternal hyperhomocysteinemia induced by methionine intake on oxidative stress and apoptosis in pup rat brain. Int J Dev Neurosci 28:325–329 https://doi.org/10.1016/j.ijdevneu.2010.02.006 Lai WK, Kan MY (2015) Homocysteine-Induced Endothelial Dysfunction. Ann Nutr Metab 67:1-12 https://doi.org/10.1159/000437098 Lecuyer M, Laquerriere A, Bekri S, Lesueur C, Ramdani Y, Jegou S, Uguen A, Marcorelles P, Marret S, Gonzalez BJ (2017) PLGF, a placental marker of fetal brain defects after in utero alcohol exposure. Acta Neuropathol Commun 5:44 https://doi.org/10.1186/s40478-017-0444-6 Levine RJ, Lam C, Qian C et al. (2006) Soluble endoglin and other circulating antiangiogenic factors in preeclampsia. N Engl J Med 355:992-1005 https://doi.org/10.1056/NEJMoa055352 Li Y, Gao R, Liu X, Chen X, Liao X, Geng Y, Ding Y, Wang Y, He J (2015) Folate Deficiency Could Restrain Decidual Angiogenesis in Pregnant Mice. Nutrients 7:6425-6445 https://doi.org/10.3390/nu7085284 Liu HY, Liu SM, Zhang YZ (2020) Maternal Folic Acid Supplementation Mediates Offspring Health via DNA Methylation. Reprod Sci 27:963-976 https://doi.org/10.1007/s43032-020-00161-2 Makhro AV, Mashkina AP, Solenaya OA, Trunova OA, Kozina LS, Arutyunian AV, Bulygina ER (2008) Prenatal hyperhomocysteinemia as a model of oxidative stress of the brain. Bull Exp Biol Med 146:33–35 https://doi.org/10.1007/s10517-008-0233-0 Oosterbaan AM, Steegers EA, Ursem NT (2012) The effects of homocysteine and folic acid on angiogenesis and VEGF expression during chicken vascular development. Microvasc Res 83:98-104 https://doi.org/10.1016/j.mvr.2011.11.001 Ostrakhovitch EA, Tabibzadeh S (2019) Homocysteine and age-associated disorders. Ageing Res Rev 49:144–164 https://doi.org/10.1016/j.arr.2018.10.010 Poddar R, Paul S (2013) Novel crosstalk between ERK MAPK and p38 MAPK leads to homocysteine-NMDA receptor-mediated neuronal cell death. J Neurochem 124:558-570 https://doi.org/10.1111/jnc.12102 Rosario FJ, Nathanielsz PW, Powell TL, Jansson T (2017) Maternal folate deficiency causes inhibition of mTOR signaling, down-regulation of placental amino acid transporters and fetal growth restriction in mice. Sci Rep 7:3982 https://doi.org/10.1038/s41598-017-03888-2 Sahay AS, Sundrani DP, Joshi SR (2017) Neurotrophins: Role in Placental Growth and Development. Vitam Horm 104:243–261 https://doi.org/10.1016/bs.vh.2016.11.002 Schweinberger BM, Rodrigues AF, Turcatel E et al. (2018) Maternal hypermethioninemia affects neurons number, neurotrophins levels, energy metabolism, and Na(+),K(+)-ATPase expression/content in brain of rat offspring. Mol Neurobiol 55:980-988 https://doi.org/10.1007/s12035-017-0383-z Shcherbitskaya AD, Milyutina YP, Zaloznyaya IV, Arutjunyan AV, Nalivaeva NN, Zhuravin IA (2017) The effects of prenatal hyperhomocysteinemia on the formation of memory and the contents of biogenic amines in the rat hippocampus. Neurochemical Journal 11:296–301 https://doi.org/10.1134/s1819712417040080 Silva E, Rosario FJ, Powell TL, Jansson T (2017) Mechanistic Target of Rapamycin Is a Novel Molecular Mechanism Linking Folate Availability and Cell Function. J Nutr 147:1237-1242 https://doi.org/10.3945/jn.117.248823 Tang YY, Wang AP, Wei HJ, Li MH, Zou W, Li X, Wang CY, Zhang P, Tang XQ (2018) Role of silent information regulator 1 in the protective effect of hydrogen sulfide on homocysteine-induced cognitive dysfunction: Involving reduction of hippocampal ER stress. Behav Brain Res 342:35-42 https://doi.org/10.1016/j.bbr.2017.12.040 Thamotharan S, Chu A, Kempf K, Janzen C, Grogan T, Elashoff DA, Devaskar SU (2017) Differential microRNA expression in human placentas of term intra-uterine growth restriction that regulates target genes mediating angiogenesis and amino acid transport. PLoS One 12:e0176493 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0176493 Tothova B, Kovalska M, Kalenska D, Tomascova A, Lehotsky J (2018) Histone Hyperacetylation as a Response to Global Brain Ischemia Associated with Hyperhomocysteinemia in Rats. Int J Mol Sci 19 https://doi.org/10.3390/ijms19103147 Troen AM (2005) The central nervous system in animal models of hyperhomocysteinemia. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 29:1140-1151 https://doi.org/10.1016/j.pnpbp.2005.06.025 Tsitsiou E, Sibley CP, D'Souza SW, Catanescu O, Jacobsen DW, Glazier JD (2009) Homocysteine transport by systems L, A and y+L across the microvillous plasma membrane of human placenta. J Physiol 587:4001-4013 https://doi.org/10.1113/jphysiol.2009.173393 Tsitsiou E, Sibley CP, D'Souza SW, Catanescu O, Jacobsen DW, Glazier JD (2011) Homocysteine is transported by the microvillous plasma membrane of human placenta. J Inherit Metab Dis 34:57-65 https://doi.org/10.1007/s10545-010-9141-3 Umapathy A, Chamley LW, James JL (2020) Reconciling the distinct roles of angiogenic/anti-angiogenic factors in the placenta and maternal circulation of normal and pathological pregnancies. Angiogenesis 23:105-117 https://doi.org/10.1007/s10456-019-09694-w Xu X, Yang XY, He BW, Yang WJ, Cheng WW (2016) Placental NRP1 and VEGF expression in pre-eclamptic women and in a homocysteine-treated mouse model of pre-eclampsia. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol 196:69-75 https://doi.org/10.1016/j.ejogrb.2015.11.017 Yakovleva O, Bogatova K, Mukhtarova R, Yakovlev A, Shakhmatova V, Gerasimova E, Ziyatdinova G, Hermann A, Sitdikova G (2020) Hydrogen Sulfide Alleviates Anxiety, Motor, and Cognitive Dysfunctions in Rats with Maternal Hyperhomocysteinemia via Mitigation of Oxidative Stress. Biomolecules 10 https://doi.org/10.3390/biom10070995

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---