background image

© The Author(s)  2024. Published  by Oxford University  Press on behalf of the Endocrine  Society. 
All rights reserved.  For commercial  re-use, please contact reprints@oup.com  for reprints  and 
translation  rights  for reprints.  All other  permissions  can be obtained  through  our RightsLink 
service via the Permissions  link on the article page on our site

for  further  information  please 

contact journals.permissions@oup.com.  This article is published  and distributed  under the 
terms of the Oxford University  Press, Standard  Journals  Publication  Model 
(https://academic.oup.com/pages/standard-publication-reuse-rights) 

BMP4 in human endometrial stromal cells can affect 

decidualization by regulating FOXO1 expression 

Yanjie  Huang

#

,  Fangfang  Dai

#

,  Liping  Chen,  Zhidian  Li,  Hua  Liu

1,  *

,  Yanxiang 

Cheng

1,*

 

Yanjie Huang, Department of Obstetrics and Gynecology, Renmin Hospital of Wuhan 

University,  99  Zhang  Zhidong  Road,  Wuhan,  Hubei  430060,  People’s  Republic  of 

China. E-mail: 

2021283020234@whu.edu.cn

. ORCID ID: 0009-0006-9886-3796 

 

1

  Department  of  Obstetrics  and  Gynecology, Renmin Hospital of Wuhan University, 

Wuhan, Hubei 430060, China 

10 

#These authors have contributed equally to this work and share the first authorship 

11 

* Corresponding authors

 

12 

Professor  Yanxiang  Cheng,  Department  of  Obstetrics  and  Gynecology,  Renmin 

13 

Hospital  of  Wuhan  University,  99  Zhang  Zhidong  Road,  Wuhan,  Hubei  430060, 

14 

People’s Republic of China. E-mail: yanxiangCheng@whu.edu.cn. ORCID ID: 0000-

15 

0002-9218-5246 

16 

Professor  Hua  Liu,  Department  of  Obstetrics  and  Gynecology,  Renmin  Hospital  of 

17 

Wuhan  University,  99  Zhang  Zhidong  Road,  Wuhan,  Hubei  430060,  People’s 

18 

Republic of China. E-mail: 

liuhua008@tom.com. 

ORCID ID: 0009-0009-5591-9325 

19 

 

20 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

DISCLOSURE SUMMARY: The authors have nothing to disclose. 

Keywords: 

Recurrent  spontaneous  abortion,  decidualization,  BMP4,  FOXO1, 

maternal-fetal interface.

 

Abstract 

Background

: Recurrent spontaneous abortion (RSA) is defined as the loss of two 

or  more  consecutive intrauterine pregnancies with the same sexual partner in the first 

trimester.  Despite  its  significance,  the  etiology  and  underlying  mechanisms  of  RSA 

remain elusive. Defective decidualization is proposed as one of the potential causes of 

RSA,  with  abnormal  decidualization  leading  to  disturbances  in  trophoblast  invasion 

function. 

10 

Methods

:  Decidual  samples  were  collected from both RSA patients and healthy 

11 

controls  to  assess  BMP4  expression.  In  vitro  cell  experiments utilized the hESC cell 

12 

line  to  investigate  the  impact  of  BMP4  on  decidualization  and  associated  aging,  as 

13 

well  as  its  role  in  the  maternal-fetal  interface  communication.  Subsequently,  a 

14 

spontaneous  abortion  mouse  model  was  established  to  evaluate  embryo  resorption 

15 

rates and BMP4 expression levels. 

16 

Results

:  Our  study  identified  a  significant  downregulation of BMP4 expression 

17 

in  the  decidua  of  RSA  patients  compared  to  the  normal  control  group.  In  vitro 

18 

experiments  demonstrated  that  BMP4  knockdown  resulted  in  inadequate 

19 

decidualization and inhibited associated aging processes. Mechanistically, BMP4 was 

20 

implicated  in  the  regulation  of  FOXO1  expression,  thereby  influencing 

21 

decidualization and aging. Furthermore, loss of BMP4 hindered trophoblast migration 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

and  invasion  via  FOXO1  modulation.  Additionally,  BMP4  downregulation  was 

observed in RSA mice. 

Conclusions

: Our findings highlighted the downregulation of BMP4 in both RSA 

patients and mice. BMP4 in human endometrial stromal cells was shown to modulate 

decidualization  by  regulating  FOXO1  expression.  Loss  of  BMP4  may  contribute  to 

the  pathogenesis  of  RSA,  suggesting  potential  avenues  for  abortion  prevention 

strategies. 

Abbreviation: 

RSA:  Recurrent  spontaneous  abortion; 

hESCs:  human 

endometrial  stromal  cells;  qRT

PCR:  quantitative  real

time  polymerase  chain 

reaction;  PRL:  prolactin;  IGFBP1:  insulin-like  growth  factor  binding  protein-1;

 

10 

DSCs:  decidua  stromal  cells;  BMP4:  Bone  morphogenetic  protein  4;  TGF-β: 

11 

Transforming  growth  factor  β;  FOXOs:  Forkhead  transcription factors; HC: Healthy 

12 

control. 

13 

 

14 

 

15 

 

 

16 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

1.

 

Introduction 

Recurrent  spontaneous  abortion  (RSA)  is  defined  as  two  or  more  consecutive 

spontaneous  abortions  with  the  same  sexual  partner  before  20-24  weeks  of 

gestation

(1)

.

  Globally,  the  incidence  of  RSA  in  women  of  reproductive  age  is 

approximately  5%

(2)

.  RSA  can  have  adverse  effects  on  the  physical  health,  mental 

well-being,  and  family  dynamics  of  affected  couples.  While  chromosomal 

abnormalities,  endocrine  factors,  and  anatomical  factors  are  recognized  causes  of 

RSA, there remain unknown factors contributing to the condition in some patients 

(1)

Therefore, it is imperative to elucidate the pathogenesis of RSA and explore effective 

treatment options for affected individuals.  

10 

Decidualization  refers  to  the  transformation  of  human  endometrial  stromal  cells 

11 

(hESCs) into decidua stromal cells (DSCs) under progesterone stimulation during the 

12 

secretory  phase.  Achieving  mature  decidualization  is  crucial  for  successful  embryo 

13 

implantation.  The  transient  presence  of  senescent  cells  has  been  shown  to  facilitate 

14 

decidualization,  aiding  in  the  normal  implantation  of  embryos

(3)

.  Conversely,  the 

15 

absence  of  senescent  decidual  cells  can  result  in  implantation  failure  or  early 

16 

pregnancy loss

(4)

. Abnormal decidualization is associated with pathological pregnancy 

17 

such  as  abortion

(5-7)

,  preeclampsia

(8)

 

and  recurrent  implantation  failure

(9)

.  However, 

18 

the underlying mechanisms  remain largely  elusive.   

19 

Bone  morphogenetic  protein  4  (BMP4),  a  member  of  the  transforming  growth 

20 

factor  β  (TGF-β)  superfamily,  regulates  various  biological  processes,  including  cell 

21 

growth,  apoptosis,  and  differentiation

(10)

While  BMP4  has  been  implicated in early 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

embryonic development

(11-13)

,

 

its role in abortion has not been extensively studied. In 

our  investigation,  we  observed  a significant decrease in BMP4 expression within the 

decidua  of  RSA  patients  for  the  first  time,  suggesting  a  potential  involvement  of 

BMP4 in RSA.

 

Forkhead  transcription  factors  (FOXOs),  named  after  the  forkhead  gene  of 

Drosophila  melanogaster

(14)

,

  encompass  four  FOXO  subtypes  (FOXO1,  FOXO3, 

FOXO4,  and FOXO6) in mammalian cells. During decidualization, FOXO1 emerges 

as  a  pivotal  transcription  factor  initiating  the  expression  of  decidualization  marker 

genes  (IGFBP1  and  PRL).  Additionally,  FOXO1  is  implicated  in  cell  cycle  arrest, 

apoptosis,  cell  senescence,  and  other  cellular  behaviors  crucial  to  decidualization

(15-

10 

18)

11 

Our study reveals a significant reduction in BMP4 expression within the decidua 

12 

of  patients  with  RSA.  Furthermore,  our  findings  demonstrate  that  BMP4  depletion 

13 

correlates  with  impaired  decidualization.  It  is  plausible  that  BMP4  downregulation 

14 

diminishes  FOXO1  expression,  thereby  inhibiting  cellular  aging  processes  and 

15 

resulting  in  insufficient  maturation  of  DSCs,  consequently  impairing decidualization 

16 

and  potentially  culminating  in  miscarriage.  Additionally,  impaired  decidualization 

17 

may  compromise  the  migration  and  invasion  abilities  of  trophoblast  cells,  disrupting 

18 

communication at the maternal-fetal interface. Collectively, our results underscore the 

19 

potential  significance  of  abnormal  BMP4  loss  as  a  mechanism  underlying  impaired 

20 

decidualization in RSA patients. 

21 

 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

2.

 

Materials and methods 

2.1 Decidual Tissue Collection 

Decidua  samples  were  collected  at  Wuhan  University  People's  Hospital,  and 

decidua tissues from RSA patients and patients with elective termination of pregnancy 

less  than  20  weeks  were  collected  with  the  informed  consent  of  the  subjects,  all of 

whom  were  younger  than  35  years  old.  The  inclusion  criteria  were  as  follows:  (1) 

Unexplained  recurrent  abortion;  (2)  Both  blood  and  urine  pregnancy  tests  were 

positive;  (3)  Intrauterine  pregnancy  was  confirmed  by  ultrasound.  The  exclusion 

criteria  are  as  follows

(19)

:  (1)  diagnosis  of  uterine  abnormalities,  such  as  congenital 

anatomic  abnormalities,  fibroids,  adenomyopathy,  endometrial  polyps,  etc.  (2) 

10 

diagnosis of chromosomal abnormalities or endocrine disorders; (3) Rule out infection 

11 

or  immune  disease

(20)

After  the  sample  was  collected,  the  blood  on  the  tissue  was 

12 

cleaned with PBS, partially fixed with paraformaldehyde, and partially quickly frozen 

13 

in  liquid  nitrogen.  Human  protocols  were  approved  by  the  Ethics  Committee  of 

14 

Clinical  Research, Renmin Hospital of Wuhan University (WDRY2020-K218).

 

15 

2.2 Lentivirus Infection 

16 

Overexpression  of  lentivirus  and  small  RNA interference (shRNA) were used in 

17 

this

 

study.  Lentivirus  was  purchased  from  Shanghai  Genechem  Gene  Medical 

18 

Technology  Co.,  LTD.  The  reagent  concentration  followed  the  manufacturer's 

19 

instructions  to  determine  the  optimal  infection  concentration.  The  MOI=30  was 

20 

selected for the follow-up experiment. Cells transfected with lentivirus were cultured 

21 

in  (DMEM)/F-12  supplemented  with  10%  FBS.  After  transfection  for  72  h,  the 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

infected cells with stable gene expression were selected with purinomycin (5 μg/mL). 

Overexpression  and  knockdown  efficiency  were  verified  by  quantitative  real‐time 

polymerase  chain reaction (qRT‐PCR) or Western blotting. 

 

2.3 Cell Culture and Treatment 

The  human  choriocarcinoma  cell  line  HTR-8/SVneo  was  donated  by  the 

Reproductive Center of Sun Yat-sen University. 

HTR-8/SVneo was cultured with 10% 

fetal  bovine  serum  (FBS)  (Gibco,  Life  Technologies,  Grand  Island,  NY)  and  100 

units/mL  of penicillin and streptomycin (Invitrogen, Waltham, MA, United States) in 

Dulbecco's  modified  Eagle's  medium  (DMEM)/F-12  (Meilunbio,  China).

  hESCs 

(Xiamen  Immocell  Biotechnology  Co.,  Ltd.,  China,  Cat:  #

 

IM-H442)  was 

10 

supplemented 

in  the  phenol  red-free  Dulbecco's  modified  Eagle's  medium 

11 

(DMEM)/F-12  (Meilunbio,  China)  plus  10%  FBS  at  37°C  in  5%  CO

2

  atmosphere. 

12 

hESCs  were  treated  with  1  mol/L  medroxyprogesterone-17-acetate  (MPA) 

13 

(MedChemExpress,  USA,  Cat:  #  HY-B0469)  and  0.5  mmol/L  N6,20-

14 

Odibutyryladenosine  cAMP  sodium  salt  (db-cAMP)  (MedChemExpress,  USA,  Cat: 

15 

#HY-B0764) to induce decidualization in vitro. T

he medium was changed every 2 d. 

16 

The concentration of exogenous FOXO1 inhibitors (AS1842856, MCE, United States, 

17 

Cat: HY-100596) was 100 nM.

 

18 

2.4 qRT‐PCR 

19 

Total  RNA  was  extracted  from cells or tissues with TRIzol reagent (Invitrogen) 

20 

according  to  the  manufacturer's  instructions.  The  spectrophotometer  (NanoDrop 

21 

2000c;  Thermo  Fisher  Scientific,  Waltham,  MA,  United  States)  was  used  to  detect 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

RNA concentration and purity. Total RNA (1 μg) was reverse-transcribed into cDNA 

using  a  reverse  transcription  kit  (Yeasen  Biotechnology  Co.,  Ltd.  Cat#11198ES08, 

China),  the  qPCR  was  performed  according  to  the  manufacturer's  specification  of 

SYBR  GREEN  PCR Master Mix (Shanghai Yisheng Co., Ltd.) in the Bio-Rad PCR 

system's Applied  Biosystems CFX96TM Real-Time PCR system, and the experiment 

was  triplicate.  In  cell  experiments,  PCR  products  were  detected  using  the  2

−ΔΔCt

 

technique relative to glyceraldehyde-phosphate dehydrogenase (

GAPDH

) for standard 

gene  expression  levels,  and  in  human  and  animal  tissue  experiments,  the  2

−ΔCt

 

technique relative to 

GAPDH

 was used to detect the PCR products

(21)

Primer  sequences  used  were  as  follows:  h-

GAPDH

  sense  5’-GTA  TCG  TGG 

10 

AAG GAC TCA TGA C-3’,

 

h-

GAPDH

 antisense 5’-ACC ACC TTC TTG ATG TCA 

11 

TCA T-3’, h-

BMP4

 sense 5’-GAT GTG GGC TGG AAT GAC-3’, h-

BMP4

 antisense 

12 

5’-GGT TGG TTG AGT TGA GGT G-3’, h-

FOXO1

 sense 5’-TCT ACG AGT GGA 

13 

TGG TCA AGA-3’, h-

FOXO1

 antisense 5’-ATG AAC TTG CTG TGT AGG GAC-

14 

3’,  h-

PRL

  sense 5’-CTA CAT CCA TAA CCT CTC CTC A-3’, h-

PRL

 antisense 5’- 

15 

GGG  CTT  GCT  CCT  TGT  CTT  C-3’,  h-

IGFBP1

  sense  5’-CTA  TGA  TGG  CTC 

16 

GAA  GGC  TC-3’,  h-

IGFBP1

  antisense  5’-TTC  TTG  TTG  CAG  TTT  GGC AG-3’, 

17 

m-

GAPDH

 sense 5’-TCG CTC CTG GAA GAT GGT GAT-3’, m-

GAPDH

 antisense 

18 

5’-CAG  TGG  CAA  AGT  GGA  GAT  TGT TG-3’ and m-

BMP4

 sense 5’-TTG ATA 

19 

CCT  GAG  ACC  GGG  AAG-3’, m-

BMP4

 antisense 5’-ACA TCT GTA GAA GTG 

20 

TCG  CCT  C-3’.

 

The  amplification  efficiency  of  all  primers  was  90-110%  (107.90% 

21 

for  h-

GAPDH

,  94.77%  for  h-

BMP4

,  102.74%  for  h-

PRL

,  98.35%  for  h-

IGFBP1

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

102.56% for h-

FOXO1

, 104.35% for m-

GAPDH

, and 101.52% for m-

BMP4

).

 

2.5 Western blot 

RIPA  buffer  including  PMSF  protease  inhibitors  (Beyotime  Biotechnology, 

China)  and  a  phosphatase  inhibitor  (Beyotime  Biotechnology,  China)  was  used  to 

extract  total  protein  from  homogenized  tissue  or  cultured  cells.  The Enhanced BCA 

Protein  Assay  Kit  (Beyotime  Biotechnology,  China,  Cat:  #

 

KR0008)  was  used  to 

extract  the  protein. SDS-PAGE was applied to isolate equal quantities of protein (50 

μg protein per hole) and then transfer the protein to 0.45 mm/0.22 mm polyvinylidene 

difluoride  (Merck  Millipore,  Billerica,  MA). After  being  blocked with 5% skim milk 

powder  at  room  temperature  for  1  h,  anti-GAPDH  (ABclonal  Cat# AC001, 

RRID: 

10 

AB_2619673

), BMP4 (ABclonal Cat# A11315, 

RRID: AB_2758503

), PRL (ABclonal 

11 

Cat# A1618, 

RRID: AB_2763630

), IGFBP1 (Cell Signaling Technology Cat# 31025, 

12 

RRID: AB_2798998

),  FOXO1  (Proteintech Cat# 66457-1-Ig, 

RRID: AB_2881826

), 

13 

p53  (ABclonal  Cat#  A0263, 

RRID:  AB_2757076

),  p21  (ABclonal  Cat#  A1483, 

14 

RRID:  AB_2761709

),  and  p16  (ABclonal  Cat# A0262, 

RRID: AB_2757075

)  were 

15 

used  as  primary  antibodies  overnight  in  a  shaking  bed  at  4°C.  Then,  the  secondary 

16 

antibodies  were  used  HRP  Goat  Anti-Rabbit  IgG  (H+L)  (ABclonal  Cat#  AS014, 

17 

RRID: AB_2769854

)  or  HRP  Goat Anti-Mouse IgG (H+L) (ABclonal Cat# AS003, 

18 

RRID: AB_2769851

) to incubate the membranes for 1 h at room temperature. Adding 

19 

the  ECL  Enhanced  Plus  Kits  (RM0021P,  ABclonal,  China),  the  chemiluminescent 

20 

detection system (Bio-Rad, United States) was used to detect protein expression. 

 

21 

2.5 Senescence β-Galactosidase  (SA-β-Gal) Staining 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

10 

Senescence  β-Galactosidase  Staining  Kit  (Beyotime  Biotechnology,  China,  Cat: 

#C0602) was applied to stain cells. According to the manufacturer's instructions, after 

being  washed  with  PBS once, the hESC cells were firstly fixed at room temperature 

for 15 min with β-galactosidase staining fixing solution. After the fixing solution was 

removed,  the  cells  were  cleaned  with  PBS  three  times  for  3  min.  After  PBS  was 

removed,  a  certain  proportion  of  staining  working  solution  (10  μL  β-galactosidase 

solution A,  10  μL  β-galactosidase  solution  B,  930  μL β-galactosidase solution C, 50 

μL  X-Gal  solution)  was  added  according  to  the instructions. Incubated overnight at 

37°C  without  CO

2

.  Three  areas  were  randomly  selected  with  a  fluorescence 

microscope at ×200 magnification to observe the proportion of the number of stained 

10 

cells in the whole visual field. 

11 

2.6 Immunohistochemistry 

12 

The  newly  collected  endometrial  tissues  were  fixed with 4% paraformaldehyde, 

13 

embedded with paraffin wax, and routinely dewaxed, rehydrated, and sectionalization. 

14 

Then  high-pressure  thermal  repair  was  used,  citrate  buffer  of  pH  6.0  was  used  to 

15 

infiltrate  all  slices,  and  after  boiling  for  5  min  in  a  pressure  cooker,  the  slices  were 

16 

soaked for natural cooling, and then soaked in 3% H

2

O

2

 for 15 min away from light. 

17 

After  blocking  endogenous  peroxidase  and  blocking  serum,  they  were  incubated 

18 

overnight  with  BMP4  primary  antibody  (1:100)  at  4°C,  and  then  the  secondary 

19 

antibody was incubated in a humidor with HRP Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) at 37

 

20 

for  30  min.  Finally,  it  was  stained  with  diaminobenzidine and reversed stained with 

21 

hematoxylin.  Protein  expression  was  analyzed  with  ImageJ  Pro  Plus  version  6.0 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

11 

software (Media Cybernetics Inc.). 

2.7 Immunofluorescence 

Reactive  oxygen  species  were  detected with dihydroethidium (superoxide anion 

fluorescent  probe)  kit  (Yeasen  Biotechnology  Co.,  Ltd.,  China,  Cat:  #50102ES02). 

According  to  the  instructions,  the  mother  liquor  was  diluted  to the desired working 

concentration with a buffer solution (PBS). The cells were cleaned with PBS 3 times, 

and the basic medium and working solution were mixed at a ratio of 1:1 and added to 

the  culture  plate,  and  incubated  for  1  h  at  room  temperature  or  37°C  without light. 

The  fluorescence  signal  was  examined  under  a  fluorescence  microscope  with  a 

magnification of 200

×

10 

2.8 Transwell Assays 

11 

Transwell  inserts  with  8.0  μm  diameter  chamber  were  pretreated  with  Matrigel 

12 

(40 

L,  dilution  1:  8,  sigma, St Louis, MO). The invasion ability of trophoblast cells 

13 

was assessed by counting the number of cells that penetrated Matrigel and reached the 

14 

lower  surface  of  the  inserts,  and  the  migration  ability  of  trophoblast  cells  was 

15 

estimated  by  transwell  inserts  without  Matrigel. hESCs transfected with ov-NC, ov-

16 

BMP4,  sh-NC,  and  sh-BMP4  lentivirus  were  uniformly  implanted  in  the  lower 

17 

chamber, and decidualization was induced by MPA and db-cAMP. Other drugs were 

18 

added 48 h after induction. After 4 d, 1

×

10

5

 cells/mL HTR-8/SVneo trophoblast cells 

19 

were  implanted  in  transwell  inserts  pretreated  with  1:8  diluted  40  μL  Matrigel  and 

20 

cultured  with  basal  medium.  2

×

10

4

  cells/mL  hESCs  were  cultured  in  the  lower 

21 

chamber  with  20%  FBS  in  the  medium  after  induction.  The  Co-cultured  times  for 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

12 

migration  and invasion were 24 h and 48 h, respectively. Then the transwell chamber 

was  cleaned  3  times  with  PBS  at  room  temperature,  the  cells  on  the  surface  of 

Matrigel were wiped with a cotton swab, the chamber was placed in methanol for 15 

min, stained with crystalline iodine for 10 min, and cleaned 3 times with PBS. Under 

a  fluorescence  microscope  (Olympus,  Japan),  cells  penetrating  to  the  lower  surface 

can be observed with a magnification of 200×. Three regions were randomly selected 

and  the  number  of  cells  was  calculated.  The  experiment  was  repeated  three  times 

independently. 

2.9 Spontaneous Abortion Animal Model Construction 

Twenty  C57  female  mice  and  ten  C57  male  mice  were  purchased  from  Beijing 

10 

Vital River Laboratory Animal Technology Co. Ltd., China. The number of male and 

11 

female  mice  was  evenly  divided  and  mated,  ten  C57  female  mice  were  used  to 

12 

construct  a  normal  pregnancy  mouse  model,  and  others  were  generally  used  to 

13 

construct a spontaneous abortion mouse model. The first day of seeing a vaginal plug 

14 

was  0.5  d  of  gestation,  at  the  7.5  d  of  gestation,  0.25  mg/kg  LPS  was  injected 

15 

intraperitoneally  to  induce  abortion  at  the  7.5  d  of  gestation. All  female  mice  were 

16 

killed  at  13.5  d  of  gestation,  and  the  embryo  absorption  rate  (number  of  embryos 

17 

absorbed/number  of  total  embryos  *100%)  was  measured  and calculated. All animal 

18 

studies  were  approved  by  the  ethics  committee  for  laboratory  animal  welfare 

19 

(IACUC)  of  Renmin  Hospital  of  Wuhan  University  [No.  WDRM  animal  (f)  No. 

20 

20201207]. 

21 

 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

13 

2.10 Statistical  Analysis 

Each  experiment  was  conducted  in  triplicate  and  repeated  three  times. All  data 

were analyzed with GraphPad Prism statistical software (

version

 8.0). The difference 

between  the  two  groups  was analyzed by student t-test. Three independent replicate 

experiments were conducted in the study. All data were presented as the mean ± SEM. 

At 

p

 < 0.05, the difference was considered statistically significant. 

3.

 

Results 

3.1  The expression of BMP4 was significantly decreased in the decidual  tissue of 

the RSA patient 

To  determine  whether  BMP4  had a certain relationship with the pathogenesis of 

10 

RSA,  we  first  collected  the  decidua  tissues  of  RSA  patients and

 

the

 

healthy control 

11 

(HC) group.

 

It indicated that the mRNA and protein levels of BMP4 in decidua tissue 

12 

of  RSA  patients  were  significantly  lower  than  that in the HC group (

Figure 1A-C

). 

13 

The results of IHC showed that BMP4 staining in the HC group was strongly positive 

14 

and  strongly  expressed  in both cytoplasm and nucleus, while only a small amount of 

15 

positive  staining  was  found  in  the  RSA  group  (

Figure  1D

). These results suggested 

16 

that BMP4 may play a role in the decidualization of endometrial stromal cells.   

17 

3.2 BMP4 facilitated the decidualization  of endometrium 

18 

To further investigate the specific role of BMP4 in the pathogenesis of RSA, we 

19 

first induced decidualization of hESC in vitro. After induced decidualization with db-

20 

cAMP  and  MPA  for  6  d,  the  DSC  cells  were  enlarged  and  rounded,  which  was 

21 

consistent  with  the  characteristics  of  cell  morphological  reprogramming  during 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

14 

decidualization  (

Figure  1H

).  Compared  with  hESC,  the  mRNA  level  of 

BMP4

  in 

DSC  increased by about 20 times, and the protein level increased by about 1.6 times 

(

Figure 1E-G

). This revealed that BMP4 was associated with decidualization.  

To  investigate  the  effect  of  BMP4  on  endometrial  decidualization,  hESC  was 

transfected with sh-BMP4 and ov-BMP4. After being transfected with lentivirus, the 

cells  still  had  long  spindle  interstitial  cell  morphology.  qPCR and Western blot were 

used to verify the effectivity of knockdown and overexpression of BMP4 

(Figure 2A-

C

).  Then,  we  induced  decidualization  of  hESC  transfected  with  sh-BMP4  and  ov-

BMP4.  The  results  showed  that  the  mRNA  and  protein  levels  of  decidualizing 

biomarkers  (IGFBP1  and  PRL)  were  significantly  decreased  in the  sh-BMP4 group, 

10 

and  highly  higher  in  the  ov-BMP4  group  (

Figure  2D-F

).  In  addition,  the  cell 

11 

morphology  in  the  sh-BMP4  group  was  more  similar  to  that  of  fibroblasts.  The  cell 

12 

morphology of the control group and the ov-BMP4 group was more similar to that of 

13 

epithelial  cells (

Figure 2G

). 

14 

3.3 BMP4 affected the cellular aging associated with decidualization 

15 

Well-differentiated  decidualization  is  accompanied  by  a  certain  degree  of  cell 

16 

senescence,  and  the  lack  of  cell  maturity  will  affect  the  normal  function  of 

17 

decidualization

(4, 22, 23)

. To investigate how BMP4

 

regulated decidualization, db-cAMP 

18 

and MPA were used to induce hESC with knockdown and overexpressed BMP4 4 d. 

19 

The results showed that the knockdown of BMP4 inhibited the protein levels of p53, 

20 

p21, and p16, while overexpression of BMP4 enhanced  the expression of these genes 

21 

(

Figure 3A-D

). Using Senescence Associated β-Galactosidase (SA-β-Gal) Staining to 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

15 

stain  DSC  after  4  d  of  induction,  it  was  observed  that  the  number  of  stained  cells 

decreased  significantly  in  the  sh-BMP4 group compared with the control group. The 

number of stained cells increased highly in the ov-BMP4 group (

Figure 3E, F

). Since 

aging  is  accompanied  by  the  accumulation  of  ROS  in cells, we further observed the 

fluorescence  intensity  of  cells  in  each  group  with  a  fluorescence  microscope.  The 

results  showed  that  the  trend  of  ROS  was  consistent  with  the  above  experimental 

results

  (Figure  3G,  H)

.  Overall,  BMP4  regulated  the  cellular  aging  associated  with 

decidualization.  

3.4  BMP4  regulated  the  expression  of  transcription  factor  FOXO1  to  influence 

decidualization  and cell aging 

10 

Many

 studies have shown that FOXO1 initiates the decidualization of endometrial 

11 

stromal  cells,  and  can  also  mediate  cell  aging,  apoptosis,  and  cell  cycle arrest

(22,  24)

.

 

12 

We  first  investigated  whether  BMP4  can  regulate  FOXO1  expression.  The  results 

13 

showed that the expression level of FOXO1 was decreased after BMP4 was knocked 

14 

down, overexpression of BMP4 can increase the expression level of FOXO1 (

Figure 

15 

4A,  B

).  To  determine  whether  FOXO1  was  involved  in  BMP4-mediated 

16 

decidualization, we added AS1842856 (FOXO1-specific inhibitor) into the medium of 

17 

the  ov-BMP4  group  with decidualization induction, and we continued to culture the 

18 

cells for two days. It can be seen that compared with the ov-BMP4 group, the protein 

19 

levels  of  decidualization  markers  (IGFBP1  and  PRL)  in  the  ov-BMP4  group  with 

20 

AS1842856  were  highly decreased, and the expression of aging-related factors (p53, 

21 

p21, and p16) was also reduced. However, the expression of BMP4 was not affected 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

16 

(

Figure  4C,  D

).  Compared  with  the  ov-BMP4  group,  the  proportion  of  β-

galactosidase  positive  cells  also  decreased  effectively  in  the  ov-BMP4  group  with 

AS1842856,

 

only  28%  of  the  former  group  (

Figure  4E,  F

),  and  the  fluorescence 

intensity of ROS was also inhibited

 (Figure 4G, H)

In  summary,  BMP4  regulated  the  decidualization  of  endometrium by  regulating 

the expression of FOXO1 downstream, as well as the associated cell aging. 

3.5  BMP4  affected

 

migration  and  invasion  ability  of  trophoblast  cells  in 

maternal-fetal  interface crosstalk 

The  pathogenesis  of  abortion  is  multi-factorial  and  complicated.  The  normal 

interaction  between  decidua  and  villi  is  necessary  to  maintain  the  stability  of  the 

10 

maternal-fetal interface

(25)

. We hypothesized that low expression of BMP4 in decidua 

11 

would inhibit villi migration and invasion. To verify the hypothesis, hESC transfected 

12 

with lentivirus was inoculated in 24-well plates to induce decidualization for 4 d, and 

13 

HTR-8/SVneo cells were planted in transwell chambers and co-cultured with DSC for 

14 

24  h  and  48  h  (

Figure  5A

).  Compared  with  the  control  group,  the  migration  and 

15 

invasion  ability  of  HTR-8/SVneo  cells  co-cultured  with  DSC  were  significantly 

16 

reduced  in  the  sh-BMP4  group. The migration and invasion ability of HTR-8/SVneo 

17 

co-cultured  with  the  ov-BMP4  group  was  significantly  enhanced (

Figure 5B-E

). To 

18 

investigate  whether  BMP4  also  affected  the  migration  and  invasion  ability  of 

19 

trophoblast  cells  through  FOXO1, AS1842856  was  selectively  added  to hESC  with 

20 

decidualization  induced  for  2  d 

(Figure  5F

).  The  results  showed  that  when 

21 

AS1842856  was  added  to  the  medium,  the  migration  and  invasion  ability  of  HTR-

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

17 

8/SVneo cells was decreased compared with that in the ov-BMP4 group 

(Figure 5G-

J)

.  The  above  experiments  indicated  that  the  high  expression  of  BMP4  during 

decidualization  could  affect  the  migration  and  invasion  ability  of  trophoblast  cells 

through FOXO1. 

3.6 The expression of BMP4 was reduced in the miscarriage mice model 

To  verify  the  results  of  the  above tissue and cell experiments, we constructed a 

miscarriage  mouse  model  (

Figure  6A

)  to  explore  the  function  of  BMP4  on  the 

abortion of mice. As shown in

 Fig 6B, C

, the embryo absorption rate of aborted mice 

was significantly higher than that of the control group. More importantly, it was found 

that the mRNA expression level  of 

BMP4

 was decreased in decidual tissues of aborted 

10 

mice (

Figure 6D

). The above results demonstrated that the expression level of BMP4 

11 

was  also  reduced  in  the  decidua of miscarriage mice. This indicated that BMP4 was 

12 

indeed involved in the process of miscarriage  in vivo.   

13 

4.

 

Discussion

 

14 

The  etiology  of  RSA is multifaceted. Apart from well-established physiological, 

15 

pathological,  and  anatomical  factors,  there  is  growing  evidence  indicating  that 

16 

abnormal  decidualization  underlies  RSA

(26)

.  In  our  study,  we  illustrated  that BMP4 

17 

deficiency  in  human  decidual  tissue  triggers  impaired  decidualization,  consequently 

18 

resulting  in  adverse  pregnancy  outcomes  such  as  RSA.  While  previous  research  has 

19 

predominantly  explored  BMP4's  roles  in tumorigenesis

(27)

, bone homeostasis

(28)

, and 

20 

tissue  regeneration

(29)

,  and  other  areas,  there  remains  a  scarcity  of  studies  on  its 

21 

relevance  to  pregnancy  and  its outcomes. Our research represents a pioneering effort 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

18 

in  demonstrating  BMP4's  significant  role  in  the  decidualization  process  of 

endometrial  stromal  cells.  Following  successful  decidualization,  BMP4  expression, 

initially  low,  markedly  increases.  Suppression  of  BMP4  expression  impedes 

decidualization  progression  and  the  natural  aging  and  apoptosis  associated with this 

process, adversely affecting blastocyst implantation, placental development, and fetal 

growth and development

(30)

.  

Aging  cells  exhibit  increased  activity  of  aging-related  β-galactosidase  (SA-β-

gal),  expression  of  Senescence-Associated  Secretory  Phenotype  (SASP),  and 

corresponding  aging  protein  markers

(31)

.  Evidence  suggests  an  association  between 

decidualization and cellular aging

(32)

. While premature aging damage to decidua cells 

10 

can lead to abnormal decidua and uncontrollable inflammation

(3)

, in a normal decidua 

11 

process,  acute  decidual  senescence  and  transient  SASP  post-ovulation  support 

12 

pregnancy  by  maintaining  an  appropriate  balance  of  cell  differentiation  and 

13 

senescence. Our study indicates that BMP4 deficiency may result in inadequate aging 

14 

of decidual cells, contributing to abnormal decidualization and abortion. 

15 

During  the  decidualization  process,  FOXO1  is  commonly  recognized  as  a 

16 

transcription  factor  that  initiates  the transcription of decidualization marker genes. It 

17 

directly  binds  promoters,  regulating  the  transcription  of  IGFBP1  and  PRL,  thereby 

18 

promoting  the  occurrence  of  decidualization

(33)

.  Moreover,  FOXO1  may  also  play a 

19 

role in the aging of IL-8-dependent intimal stromal cells

(22, 34)

,

 

contributing to a more 

20 

favorable  environment  for  blastocyst  implantation  and  placenta  development. In our 

21 

study,  we  observed  that  the  knockout  of  BMP4  resulted  in decreased expression of 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

19 

FOXO1,  leading  to  the  inhibition  of  both  decidualization  and  cell  senescence  to  a 

certain  extent.  Upon  the  addition  of  a  FOXO1-specific  inhibitor  (AS1842856),  the 

expression  of  decidualization  marker  genes  and  senescence-related  molecules 

decreased,  along  with  a  reduction  in  senescent  cells  and  reactive  oxygen  species 

(ROS).  Notably,  the  expression  of  BMP4  remained  unaffected.  This  finding 

substantiates that FOXO1 acts as the downstream molecule of BMP4 in the regulation 

of decidualization and senescence. Other studies suggest that this regulatory process is 

likely mediated through the classical PI3K/AKT pathway

(15, 35, 36)

Furthermore,  the  trophoblast  and  decidua  exert  reciprocal  influences  on  each 

other,  with  a  myriad  of  cytokines  produced  by  both  compartments  capable  of 

10 

interacting  and  influencing  their  respective  functions.  Within  the  co-culture  system 

11 

utilized in this study, we observed that BMP4 secreted by decidual cells also impacts 

12 

the migration and invasion capabilities of trophoblast cells. Specifically, the migration 

13 

and  invasion  capacities  of  HTR-8/SVneo  cells  treated  with  the  culture  medium 

14 

supernatant  of  decidual  cells  were  markedly  diminished in the sh-BMP4 group. In a 

15 

rescue experiment, the addition of exogenous AS1842856 to the ov-BMP4 group led 

16 

to  a  decrease  in  the  migration  and  invasion  abilities  of  HTR-8/SVneo  cells.  This 

17 

suggests  that  BMP4  can  influence  trophoblast  invasion  through FOXO1, potentially 

18 

modulating  the  epithelial-mesenchymal  transition  process.  However,  the  precise 

19 

underlying mechanism warrants further exploration. Finally, in a successful RSA mice 

20 

model,  we  demonstrated  a  significant  reduction  in  BMP4  expression  within  the 

21 

decidua  tissue  of  aborted  mice  compared  to  normal  pregnant  mice.  This  finding 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

20 

further underscores the pivotal role of BMP4 in the pathogenesis of RSA. 

Furthermore,  both  BMP2  and  BMP4  are members of the BMP family. Previous 

studies  have  highlighted  BMP2's  impact  on  the  decidualization  of  decidua  stromal 

cells  by  modulating  FOXO1 expression through the WNT4 signaling pathway

(37,  38)

BMP2  is  also  known  to  promote  trophoblast  proliferation,  steroid  synthesis, 

angiogenesis,  and  placental  function  through  the  autocrine/paracrine  pathway

(39)

Despite  BMP4  being  recognized  as  a  pivotal  molecule  in  regulating embryonic stem 

cell  differentiation  and  mesodermal  differentiation

(40)

,  its  role  in  abortion  has  been 

relatively understudied. Building on prior research, our innovative exploration sought 

to  determine  whether  BMP4  could  similarly  regulate  FOXO1  expression  and 

10 

influence trophoblast cell function. Our experiments substantiated that BMP4 indeed 

11 

shares comparable biological functions with BMP2. It not only affects decidualization 

12 

by  modulating  FOXO1  expression  but  also  enhances  the  migration  and  invasion 

13 

abilities  of  trophoblasts.  However,  further  experimental  research  is  required  to 

14 

elucidate  the  extent  of  the  similarities  in  biological  functions  between  BMP4  and 

15 

BMP2. 

16 

5.

 

Conclusion 

17 

In summary, we observed a reduction in BMP4 expression in the decidual tissue 

18 

of  RSA  patients  (

Figure  7

).  In  our  in  vitro  cell  experiments,  we  established  that 

19 

BMP4  plays  a  crucial  regulatory  role  in  the  process  of  endometrial  decidualization. 

20 

The  loss  of  BMP4  resulted  in  the  downregulation  of  FOXO1  expression,  impeding 

21 

normal  decidualization  and  contributing  to  cell  senescence  and  apoptosis  associated 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

21 

with decidualization. Additionally, BMP4 disrupted the homeostasis of the maternal-

fetal  interface  and  inhibited  the  invasion  function  of  the  trophoblastic layer. Animal 

experiments  further  confirmed  the  decreased  expression  of  BMP4  in  the  decidual 

tissue  of  RSA  mice.  These  findings  illuminate  the role of BMP4 in the pathogenesis 

of  RSA.  Furthermore,  more  research  is  needed  to  assess  whether  a  potential 

therapeutic strategy based on BMP4 could be proposed for the diagnosis. 

6.

 

Declarations 

6.1 Data Availability  Statement  

The  original  contributions  presented  in  the  study  are  included  in  the 

article/Supplementary  Material, further inquiries can be directed to the corresponding 

10 

authors.

 

11 

6.2 Ethics approval and consent to participate 

12 

The  studies  involving  human  participants  were  reviewed  and   approved  by  the 

13 

Renmin Hospital Research and the form and use of decidua tissue were approved by 

14 

the  Ethics  Committee  (WDRY2020-K218).  All  patients/participants  provided  their 

15 

written  informed  consent  to  participate  in  this  research.  The  animal  research  was 

16 

reviewed and approved. All animal studies were approved by the ethics committee for 

17 

laboratory  animal  welfare  (IACUC)  of  Renmin  Hospital  of  Wuhan  University  [No. 

18 

WDRM animal (f) No. 20201207]. 

19 

6.3 Consent for Publication 

20 

All authors agree to publication. 

21 

 

22 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

22 

6.4 Competing interests 

The authors declare no conflict of interest. 

6.5 Funding  

This  work  was  supported  by the National Natural Science Foundation of China 

(grant  number  82071655);  Natural  Science  Foundation  of  Hubei  Province  (grant 

number  2022CFB252);  cross-innovation  talent  project  in Renmin Hospital of Wuhan 

University  (grant  number  JCRCZN-2022-016);  Undergraduate  education  quality 

construction comprehensive  reform project (grant number 2022ZG282). 

6.6 Authors' contributions 

YJH,  YXC:  designed  this  research.  FFD:  analyzed  the  data. YJH,  LPC,  ZDL: 

10 

interpreted the study. YJH: drafted the article. FFD, HL: revised this study. All authors 

11 

approved of the version to be published. 

12 

6.7 Acknowledgements 

13 

The authors would like to express their sincere gratitude to all RSA patients who 

14 

participated in this study. 

15 

7. References

 

16 

1. 

Ford  HB,  Schust  DJ.  Recurrent  pregnancy  loss:  etiology,  diagnosis,  and  therapy.  Rev 

17 

Obstet  Gynecol.  2009;2(2):76-83. 

18 

2. 

Krieg  SA,  Fan  X,  Hong  Y,  Sang  QX,  Giaccia  A,  Westphal  LM,  et  al.  Global  alteration  in 

19 

gene  expression  profiles  of  deciduas  from  women  with  idiopathic  recurrent  pregnancy  loss.  Mol 

20 

Hum Reprod.  2012;18(9):442-50. 

21 

3. 

Deryabin  PI,  Borodkina  AV.  Stromal  cell  senescence  contributes  to  impaired  endometrial 

22 

decidualization  and  defective  interaction  with  trophoblast  cells.  Hum  Reprod.  2022;37(7):1505 -

23 

24. 

24 

4. 

Rawlings  TM,  Makwana  K,  Taylor  DM,  Mole  MA, Fishwick KJ, Tryfonos M, et al. Modelling 

25 

the  impact  of  decidual  senescence  on  embryo  implantation  in  human  endometrial  assembloids. 

26 

Elife. 2021;10. 

27 

5. 

Zhou  Q,  Yan  G,  Ding  L,  Liu  J,  Yu  X,  Kong  S,  et  al.  EHD1  impairs  decidualization  by 

28 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

23 

regulating  the  Wnt4/beta-catenin  signaling  pathway  in  recurrent  implantation  failure. 

EBioMedicine.  2019;50:343-54. 

6. 

Ticconi  C,  Pietropolli  A,  Di  Simone  N,  Piccione  E,  Fazleabas  A.  Endometrial  Immune 

Dysfunction  in Recurrent  Pregnancy  Loss.  Int  J Mol  Sci. 2019;20(21). 

7. 

Robertson  SA,  Care  AS,  Moldenhauer  LM.  Regulatory  T  cells  in embryo implantation and 

the immune  response  to  pregnancy.  J Clin Invest.  2018;128(10):4224-35. 

8. 

Garrido-Gomez  T,  Castillo-Marco  N,  Cordero  T,  Simon  C.  Decidualization  resistance  in 

the origin  of preeclampsia.  Am  J Obstet  Gynecol.  2022;226(2S):S886-S94. 

9. 

Peters  CS,  Hernandez  L,  Sheffield  N,  Chittom-Swiatlo  AL,  Kocka  FE.  Cost containment of 

formalin-preserved  stool  specimens  for  ova  and  parasites  from  outpatients.  J  Clin  Microbiol. 

10 

1988;26(8):1584-5. 

11 

10. 

Roberts  RM,  Ezashi  T,  Temple  J,  Owen  JR,  Soncin  F,  Parast  MM.  The  role  of  BMP4 

12 

signaling in trophoblast  emergence from  pluripotency.  Cell Mol  Life Sci. 2022;79(8):447.  

13 

11. 

Yang  M,  Rito  T,  Metzger  J, Naftaly J, Soman R, Hu J, et al. Depletion of aneuploid cells in 

14 

human  embryos  and gastruloids. Nat Cell Biol. 2021;23(4):314-21. 

15 

12. 

Wei  Y,  Wang  T,  Ma  L,  Zhang  Y,  Zhao  Y,  Lye  K,  et  al.  Efficient  derivation  of  human 

16 

trophoblast  stem cells from  primed  pluripotent  stem cells. Sci Adv. 2021;7(33).  

17 

13. 

Yabe  S,  Alexenko  AP,  Amita  M,  Yang  Y,  Schust  DJ,  Sadovsky  Y,  et  al.  Comparison  of 

18 

syncytiotrophoblast  generated  from  human  embryonic  stem  cells  and  from  term  placentas.  Proc 

19 

Natl Acad Sci U S A. 2016;113(19):E2598-607. 

20 

14. 

Weigel  D,  Jurgens  G,  Kuttner  F,  Seifert  E,  Jackle  H.  The  homeotic  gene  fork  head 

21 

encodes  a  nuclear  protein  and  is  expressed  in  the  terminal  regions  of  the  Drosophila  embryo. 

22 

Cell. 1989;57(4):645-58. 

23 

15. 

Adiguzel  D,  Celik-Ozenci  C.  FoxO1  is  a  cell-specific  core  transcription  factor  for 

24 

endometrial  remodeling  and  homeostasis  during  menstrual  cycle  and  early  pregnancy.  Hum 

25 

Reprod  Update. 2021;27(3):570-83. 

26 

16. 

Gellersen  B,  Brosens  JJ.  Cyclic  decidualization  of  the  human  endometrium  in 

27 

reproductive  health and failure. Endocr Rev. 2014;35(6):851-905. 

28 

17. 

Wang  Z,  Liu  Y,  Liu  J,  Kong  N,  Jiang  Y,  Jiang  R,  et  al.  ATF3  deficiency  impairs  the 

29 

proliferative-secretory  phase  transition  and  decidualization  in  RIF  patients.  Cell  Death  Dis. 

30 

2021;12(4):387. 

31 

18. 

Nadkarni  S,  Smith  J,  Sferruzzi-Perri  AN,  Ledwozyw  A,  Kishore  M,  Haas  R,  et  al. 

32 

Neutrophils  induce  proangiogenic  T  cells  with  a  regulatory  phenotype  in  pregnancy.  Proc  Natl 

33 

Acad Sci U S A. 2016;113(52):E8415-E24. 

34 

19. 

Carp  H.  Immunotherapy  for  recurrent  pregnancy  loss.  Best  Pract  Res  Clin  Obstet 

35 

Gynaecol. 2019;60:77-86. 

36 

20. 

Schreiber  K,  Sciascia  S,  de  Groot  PG,  Devreese  K,  Jacobsen  S,  Ruiz-Irastorza  G,  et  al. 

37 

Antiphospholipid  syndrome.  Nat Rev Dis Primers.  2018;4:17103. 

38 

21. 

Schmittgen  TD,  Livak  KJ.  Analyzing  real-time  PCR data by the comparative C(T) method. 

39 

Nat Protoc.  2008;3(6):1101-8. 

40 

22. 

Brighton  PJ,  Maruyama  Y,  Fishwick  K,  Vrljicak  P,  Tewary  S,  Fujihara  R,  et  al.  Clearance of 

41 

senescent  decidual  cells  by  uterine  natural  killer  cells  in  cycling  human  endometrium.  Elife. 

42 

2017;6. 

43 

23. 

Hirota  Y,  Daikoku  T,  Tranguch  S,  Xie  H,  Bradshaw  HB,  Dey  SK.  Uterine -specific  p53 

44 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

24 

deficiency  confers  premature  uterine  senescence  and  promotes  preterm  birth  in  mice.  J  Clin 

Invest.  2010;120(3):803-15. 

24. 

Tsuru  A,  Yoshie  M,  Kojima  J,  Yonekawa  R,  Azumi  M, Kusama K, et al. PGRMC1 Regulates 

Cellular  Senescence  via  Modulating  FOXO1  Expression  in  Decidualizing  Endometrial  Stromal 

Cells. Biomolecules.  2022;12(8). 

25. 

Tan  HX,  Yang  SL,  Li  MQ,  Wang  HY.  Autophagy  suppression  of  trophoblast  cells  induces 

pregnancy  loss  by  activating  decidual  NK  cytotoxicity  and  inhibiting  trophoblast  invasion.  Cell 

Commun  Signal. 2020;18(1):73. 

26. 

Tang  L,  Xu  XH,  Xu  S, Liu Z, He Q, Li W, et al. Dysregulated Gln-Glu-alpha-ketoglutarate 

axis  impairs  maternal  decidualization  and  increases  the  risk  of  recurrent  spontaneous 

10 

miscarriage. Cell Rep Med. 2023;4(5):101026. 

11 

27. 

Martinez  VG,  Rubio  C,  Martinez-Fernandez  M,  Segovia  C,  Lopez-Calderon  F,  Garin  MI, 

12 

et  al.  BMP4  Induces  M2  Macrophage  Polarization  and  Favors  Tumor  Progression  in  Bladder 

13 

Cancer. Clin  Cancer Res. 2017;23(23):7388-99. 

14 

28. 

Zuo  H,  Yang  D,  Wan  Y.  Fam20C  Regulates  Bone  Resorption  and  Breast  Cancer  Bone 

15 

Metastasis  through  Osteopontin  and BMP4. Cancer  Res. 2021;81(20):5242-54. 

16 

29. 

Wertheimer  T,  Velardi  E,  Tsai  J,  Cooper  K,  Xiao  S,  Kloss  CC,  et al. Production of BMP4 by 

17 

endothelial cells is crucial for  endogenous  thymic regeneration.  Sci Immunol.  2018;3(19).  

18 

30. 

Kelleher  AM,  Setlem  R,  Dantzer  F,  DeMayo  FJ,  Lydon JP, Kraus WL. Deficiency of PARP-1 

19 

and  PARP-2  in  the  mouse  uterus  results  in  decidualization  failure  and  pregnancy  loss.  Proc  Natl 

20 

Acad Sci U S A. 2021;118(40). 

21 

31. 

Hernandez-Segura  A,  Nehme  J,  Demaria  M.  Hallmarks  of  Cellular  Senescence.  Trends 

22 

Cell Biol. 2018;28(6):436-53. 

23 

32. 

Tong  M,  Kayani  T,  Jones  DM,  Salmon  JE,  Whirledge  S,  Chamley  LW,  et  al. 

24 

Antiphospholipid  Antibodies  Increase  Endometrial  Stromal  Cell  Decidualization,  Senescence,  and 

25 

Inflammation  via  Toll-like  Receptor  4,  Reactive  Oxygen  Species,  and  p38  MAPK  Signaling. 

26 

Arthritis  Rheumatol.  2022;74(6):1001-12. 

27 

33. 

Christian  M,  Zhang  X,  Schneider-Merck  T,  Unterman  TG,  Gellersen  B,  White  JO,  et  al. 

28 

Cyclic  AMP-induced  forkhead  transcription  factor,  FKHR,  cooperates  with  CCAAT/enhancer-

29 

binding  protein  beta  in  differentiating  human  endometrial  stromal  cells.  J  Biol  Chem. 

30 

2002;277(23):20825-32. 

31 

34. 

Sun  X,  Shi  B,  Zheng  H,  Min L, Yang J, Li X, et al. Senescence -associated secretory factors 

32 

induced  by  cisplatin  in  melanoma  cells  promote  non-senescent  melanoma  cell  growth  through 

33 

activation  of the ERK1/2-RSK1 pathway. Cell Death Dis. 2018;9(3):260. 

34 

35. 

Chattopadhyay  T,  Singh  RR,  Gupta  S,  Surolia  A.  Bone  morphogenetic  protein-7 (BMP-7) 

35 

augments  insulin  sensitivity  in  mice  with  type  II  diabetes  mellitus  by  potentiating  PI3K/AKT 

36 

pathway.  Biofactors.  2017;43(2):195-209. 

37 

36. 

Xu  S,  Wang  J,  Zhong  J, Shao M, Jiang J, Song J, et al. CD73 alleviates GSDMD -mediated 

38 

microglia  pyroptosis  in  spinal  cord  injury  through  PI3K/AKT/Foxo1  signaling.  Clin  Transl  Med. 

39 

2021;11(1):e269. 

40 

37. 

Deng  J,  Zhao  HJ,  Zhong  Y,  Hu  C,  Meng  J,  Wang  C,  et  al.  H3K27me3 -modulated 

41 

Hofbauer  cell  BMP2  signalling  enhancement  compensates  for  shallow  trophoblast  invasion  in 

42 

preeclampsia.  EBioMedicine.  2023;93:104664. 

43 

38. 

Liu  M,  Deng  W,  Tang  L,  Liu  M,  Bao  H,  Guo  C,  et al. Menin directs regionalized decidual 

44 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

25 

transformation  through  epigenetically  setting  PTX3  to  balance  FGF  and  BMP  signaling.  Nat 

Commun.  2022;13(1):1006. 

39. 

Kumar  S,  Lakshmi  Devi  H,  Singh  Jalmeria  N,  Punetha  M,  Pandey  Y,  Samad  HA,  et  al. 

Expression  and  functional  role  of  bone  morphogenetic  proteins  (BMPs)  in  placenta  during 

different  stages  of  pregnancy  in  water  buffalo  (Bubalus  bubalis).  Gen  Comp  Endocrinol. 

2020;285:113249. 

40. 

Hayaei  Tehrani  RS,  Sayahpour  FA,  Esfandiari  F.  A  comparison  between  BMP4 and SB4 in 

inducing  germ  line  gene  expression  pattern  during  embryonic  stem  cells  differentiation. 

Differentiation.  2022;123:9-17. 

 

10 

Figure Legends 

11 

Figure 1 

12 

The expression of BMP4 in decidual tissues and its changes during decidualization. 

13 

(A)  qPCR  was  used  to  detect the mRNA level of 

BMP4

 in decidual tissues of RSA 

14 

patients  and  HC  (n=12  for  the  HC  group,  n=13  for  the  RSA  group).  The  relative 

15 

mRNA level relative to 

GAPDH

 was calculated by the 2

-ΔCt

 

method, (B, C) the protein 

16 

level of BMP4 relative to GAPDH was detected by Western blot (n=3 for each group), 

17 

and  (D)  the  intracellular  localization  and  expression of BMP4 protein were detected 

18 

by immunohistochemical staining. Brown represents the expression of the target gene. 

19 

The black arrow refers to the stained decidual stromal cells. Scale bar=100 μm, (E, F) 

20 

hESC cell line was used for decidualization in vitro, and the relative expression level 

21 

of BMP4 protein before and after decidualization was detected by Western blot, (G) 

22 

the  relative  mRNA  level  of 

BMP4

  before and after decidualization was detected by 

23 

qPCR, (H) the morphological changes of hESC before and after decidualization.

 

Scale 

24 

bar=100μm.  Each  experiment  was  independently  performed  three  times.  **

p

 < 0.01 

25 

and  ***

p

  <  0.001 

vs

.  control.  HC,  healthy  control  pregnancy;  RSA,  recurrent 

26 

spontaneous abortion. 

27 

Figure 2 

28 

Effect  of  BMP4  on  decidualization.  (A)  Fluorescent  expression  of  hESC 

29 

transfected  with  lentivirus.  Scale  bar=50  μm,  (B,  C)  qPCR  and  Western  blot  were 

30 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

26 

used to test the knockdown and overexpression efficiency of BMP4 after transfection 

with lentivirus, (D-F) Western blot assay and qPCR were used to detect the effects of 

knockdown  and  overexpression  of  BMP4  on  decidualization,  (G)  the  effects  of 

knockdown  and  overexpression  of  BMP4  on  DSC  morphology.  Scale  bar=50  μm.

 

Data  represent  mean ± SEM from three separate experiments and were shown as the 

mean ± SEM. *

p

 < 0.05, **

p

 < 0.01, and ***

p

 < 0.001 vs. control. 

Figure 3 

The  effect  of  BMP4  on  aging  during  decidualization.  (A-D)  Western  blot  was 

used  to  detect  the  degree  of  decidualization  and  senescence  in  DSC  after  BMP4 

knockdown  and  overexpression,  (E, F) Senescence β-Galactosidase Staining Kit was 

10 

used  to  stain  DSC,  and  the proportion of aging cells was counted under an inverted 

11 

microscope.  Scale  bar=100  μm,  (G,  H)  fluorescence  signal  of  intracellular  ROS was 

12 

observed  under  fluorescence  microscope.  Scale  bar=100  μm.

 

Data  represent  mean ± 

13 

SEM from three separate experiments and were shown as the mean ± SEM. *

p

 < 0.05, 

14 

**

p

 < 0.01, and ***

p

 < 0.001 vs. control. 

15 

Figure 4 

16 

The  regulation  of FOXO1 by BMP4 and the effect of FOXO1 on decidualization 

17 

and  cell  senescence.  (A,  B)  The  regulation  of  FOXO1  by  BMP4  was  detected  by 

18 

Western blot and qPCR, (C) schematic diagram of the dosing time of FOXO1-specific 

19 

inhibitor  (AS1842856)  and  the rescue experiment, (D) the relative protein expression 

20 

levels  of  BMP4,  decidualization marker genes (IGFBP1 and PRL) and aging-related 

21 

genes (p52, p21, and p16) were detected by Western blot after AS1842856 was added, 

22 

(E,  F)  the  Senescence  β-Galactosidase  Staining  Kit  was  used  to  stain  three  DSC 

23 

groups,  and  the  proportion  of  senescent  cells  in  the  total  cell  number  was  counted 

24 

under  inverted  microscope,

 

respectively. Scale bar=100μm, (G, H) ROS fluorescence 

25 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

27 

signals  in  each  group  were  observed  under  an  inverted  microscope,  and  the  relative 

optical  density  was  calculated.  Scale  bar=100  μm.

 

Each  experiment  was 

independently  performed  three  times.  ns

  p

  ≥  0.05,  *

p

  <  0.05,  **

<  0.01,  ***

0.001, and ****

< 0.0001 vs. control. 

Figure 5 

Effects  of  BMP4  on  maternal-fetal  interface  crosstalk.  (A)  Diagram  of  the  co-

culture  experiment  process,  and  (B)  Transwell  migration  of  HTR-8/SVneo  cells  co-

cultured with lentivirus transfected hESC. Scale bar=100μm, (C) quantification of cell 

migration,  and  (D)  Transwell  invasion  of  HTR-8/SVneo  cells  co-cultured  with 

lentivirus-transfected  hESC.  Scale  bar=100  μm,  (E)  quantification  of  cell  invasion, 

10 

(F)  schematic  diagram  of  the  dosing  time of AS1842856 and the rescue experiment, 

11 

(G,  H)  Transwell  migration  of  HTR-8/SVneo  cells  co-cultured  with  lentivirus-

12 

transfected hESC after addition of AS1842856 and quantification of the results. Scale 

13 

bar=100  μm,  (I,  J)  Transwell  invasion  of  HTR-8/SVneo  cells  co-cultured  with 

14 

lentiviral  hESC  after  addition  of AS1842856 and quantification of the results. Scale 

15 

bar=100μm.

 

Each  experiment  was  independently  performed  three  times. *

 p

 < 0.05, 

16 

**

p

 < 0.01, ***

p

 < 0.001, and ****

p

 < 0.0001 vs. control. 

17 

Figure 6 

18 

The expression of BMP4 in abortion mice. (A) Schematic diagram of the construction 

19 

of the aborted mouse model, (B, C) The successful construction of the aborted mouse 

20 

model  was  proved  through  data  analysis  of  the  mouse  embryo  absorption  rate,  (D) 

21 

qPCR  was  used  to  detect  the mRNA level of 

BMP4

 in RSA mice and control mice.

 

22 

n=3 for each group. *

 p

 < 0.05 and **

p

 < 0.01 vs. control. 

23 

Figure 7 

24 

Schematic  diagram  of the role of BMP4 during decidualization and in crosstalk at 

25 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

28 

the  maternal-fetal  interface.  Our  experiments  showed  that  in  RSA, loss of BMP4 in 

decidual tissue led to impaired decidualization and poorly differentiated decidual cells 

by  inhibiting  FOXO1  expression.  In  addition,  low  expression  of  BMP4  inhibited 

trophoblastic migration and invasion through maternal-fetal interface crosstalk. 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

29 

 

Figure 1 

100x113  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

30 

 

Figure 2 

100x124  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

31 

 

Figure 3 

100x131  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

32 

 

Figure 4 

100x148  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

33 

 

Figure 5 

100x142  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

34 

 

Figure 6 

100x66  mm ( x  DPI) 

 

 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

bqae049-html.html
background image

35 

 

Figure 7 

100x71  mm ( x  DPI) 

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/endocr/bqae049/7659434 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024