Novel pathomechanisms of intrauterine growth restriction in fetal alcohol syndrome in a mouse model

Abstract

Fetal alcohol syndrome (FAS) is a pattern of anomalies in affected children due to maternal alcohol administration at vulnerable stages of fetal development. Intrauterine growth restriction and facial malformation are the presenting phenotypes of FAS.

In this investigation, novel pathomechanisms of intrauterine growth restriction and facial malformation were the primary aims.

We found by a FAS mouse model that AceCS1 gene expression and polyamines are the immediate targets of fetal alcohol exposure. The AceCS1 product is a precursor for lipid synthesis and protein acetylation and possibly, for polycation acetylation. We cloned the Mus musculus nuclear-cytosolic AceCS1 gene, and showed that its expression is developmentally regulated with a dynamic localization in the cytosolic and nuclear compartment. The enzyme plays an essential role in de novo synthesis of acetyl Coenzyme A.

Fetal alcohol administration targets nutrient supplying networks, which are localized at critical barriers. The main findings were reduced surface of the labyrinthine zone, destruction of gap junctions in the hemotrichorial placenta, reduced syncytiotrophoblastic cell layers and loosening of interaction between cell layers and embryo endothelial cells, reduced Reichert’s membrane thickness with discontinued Reichert’s trophoblast and loss of interaction by Reichert’s-parietal cells, reduction of capillary network and reduced vascularization in the brain area, and perturbed neural crest migration and formation of neural tube defect.

Alteration of angiogenesis -regulating proteins such as VEGF, PlGF, PECAM was detected in FAS, with no significant changes in placental angiogenesis of the labyrinthine zone, but up-regulation of VEGF/PlGF caused permeability changes in the placenta and yolk sac. On the other hand, the PECAM pool in embryos’ brain was reduced, which in turn led to decreased angiogenesis and vascularization.

Tiivistelmä

Sikiön alkoholisyndrooma (engl. Fetal alcohol syndrome, FAS) on joukko muutoksia, joita esiintyy äidin raskaudenaikaisen alkoholin käytön seurauksena, kun käyttö osuu sikiökehityksen kannalta kriittiseen vaiheeseen. Kohdunsisäisen kasvun rajoittuminen ja kasvojen epämuodostumat ovat FAS:n tyypillisimpiä ilmentymiä. Tässä tutkimuksessa pyrittiin löytämään uusia patomekanismeja kohdunsisäisen kasvun rajoittumiselle ja kasvojen epämuodostumille.

Hiiren FAS-mallin avulla selvisi, että sikiön altistuminen alkoholille vaikuttaa suoraan AceCS1-geenin ilmentymiseen ja polyamiinien pitoisuuteen. AceCS1-geenin tuote on esiaste lipidien synteesissä ja proteiinien asetylaatiossa sekä mahdollisesti myös polykationien asetylaatiossa. Työssä myös kloonattiin hiiren (Mus musculus) AceCS1-geeni, jonka tuotetta esiintyy sekä tumassa että solulimassa. Lisäksi osoitettiin, että geenin ekspressio oli kehityksen aikana säädelty tuottamaan entsyymiä dynaamisesti eri paikkoihin solussa. Entsyymillä on lisäksi merkittävä osuus asetyyli-koentsyymi-A:n de novo–synteesissä.

Sikiön altistuminen alkoholille kohdistuu sellaisten ravintoaineiden saatavuuteen, jotka sijaitsevat kriittisesti tärkeissä kudosrajapinnoissa. Päälöydöksinä olivat vähentynyt labyrinttikudoksen pinta-ala, gap-liitosten tuhoutuminen istukan veriesteessä (hemotrichorial?), ohentunut trofoblastisolujen kerros ja Reichertin kalvon paksuus, harventunut hiusverisuonten verkosto sekä verisuonitus aivojen alueella sekä hermopienan solujen siirtymishäiriö ja hermostoputken sulkeutumishäiriö.

Verisuonten muodostumista (angiogeneesiä) säätelevien proteiinien (kuten VEGF, PlGF, PECAM) muutoksia todettiin FAS:ssa, mutta merkittäviä muutoksia ei havaittu istukan verisuonten muodostumisessa. VEGF/PlGF-suhteen suureneminen muutti istukan ja ruskuaispussin verisuonten läpäisevyyttä. Toisaalta sikiöiden aivojen PECAM-määrä pieneni, mikä johti verisuonten ja verisuoniverkoston muodostumisen vähenemiseen.