1月24日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員劉真、孫怡迪與博士朱文成，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院醫(yī)生木良善、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員李辰，在《細胞》（Cell）上在線發(fā)表了題為Comparative proteomic landscapes elucidate human preimplantation development and failure的研究論文。
該研究優(yōu)化了此前開發(fā)的超靈敏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)體系，并通過低投入的樣本描繪了人類和小鼠著床前胚胎的深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜。研究結(jié)合跨物種比較和多組學(xué)整合分析，系統(tǒng)解讀了哺乳動物早期胚胎發(fā)育的過程，并圍繞臨床常見的低質(zhì)量胚胎形成進行了單胚胎蛋白質(zhì)組分析。這一研究為探究哺乳動物著床前胚胎發(fā)育提供了跨物種的新資源，為通過多組學(xué)解析早期胚胎發(fā)育機制提供了新思路，并為探究人類著床前胚胎發(fā)育失敗建立了新范式。
哺乳動物著床前胚胎發(fā)育包含受精、合子基因組激活（ZGA）、滋養(yǎng)層細胞和內(nèi)細胞團的分化等關(guān)鍵生物學(xué)事件。近年來，隨著單細胞/微量核酸測序組學(xué)技術(shù)發(fā)展，科學(xué)家在早期胚胎轉(zhuǎn)錄組、表觀組和翻譯組的解析研究方面取得了進展，提升了關(guān)于哺乳動物著床前胚胎發(fā)育的認知。已有研究發(fā)現(xiàn)，早期胚胎發(fā)育階段，轉(zhuǎn)錄和翻譯之間存在大量的解偶聯(lián)調(diào)控。蛋白質(zhì)是細胞發(fā)揮功能的主要分子機器，因此深入的蛋白質(zhì)組研究對于探討早期胚胎發(fā)育具有重要意義。然而，蛋白質(zhì)不具有核酸的可擴增特性，因此先前的胚胎蛋白質(zhì)組學(xué)研究通常需要大量胚胎樣本，或者蛋白質(zhì)的鑒定深度較為有限。目前，只有少數(shù)研究在蛋白質(zhì)組層面解讀了早期胚胎發(fā)育。
該研究改進了前期開發(fā)的CS-UPT超敏蛋白質(zhì)組技術(shù)體系，優(yōu)化裂解液體系、簡化實驗流程、擴展譜圖數(shù)據(jù)庫等，在單枚人類卵細胞中鑒定出超過4500種蛋白質(zhì)。進而，研究應(yīng)用這一技術(shù)繪制了人類和小鼠卵細胞及著床前胚胎發(fā)育過程中的深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜。在人類研究中，每個實驗重復(fù)僅使用5枚卵細胞或胚胎，在不同發(fā)育階段鑒定近8000種蛋白質(zhì)；在小鼠研究中，每個實驗重復(fù)僅使用20枚卵細胞或胚胎，鑒定超過6300種蛋白質(zhì)。
跨物種比較研究發(fā)現(xiàn)，人類和小鼠的蛋白質(zhì)動態(tài)差異集中在合子基因組激活前后。這為研究物種間合子基因組差異性調(diào)控奠定了蛋白質(zhì)組層面的基礎(chǔ)。該團隊通過與清華大學(xué)頡偉團隊等繪制的翻譯組圖譜進行聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，相較于翻譯激活動態(tài)，蛋白質(zhì)的動態(tài)變化可分為同步、延遲和穩(wěn)定三種類型。研究在小鼠母源-合子轉(zhuǎn)換早期進行翻譯抑制和蛋白降解抑制實驗，驗證了觀察到的胚胎蛋白質(zhì)組動態(tài)。
ZGA是早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵事件，在此時期胚胎基因組首次出現(xiàn)大規(guī)模轉(zhuǎn)錄。而這些新的轉(zhuǎn)錄本的具體功能并不清晰。在進一步整合早期胚胎轉(zhuǎn)錄組和翻譯組信息后，研究對ZGA轉(zhuǎn)錄本進行分類，并定義了兩種主要類型——增加型ZGA（I-ZGA）和瞬時型ZGA（T-ZGA）。研究發(fā)現(xiàn)，較多T-ZGA轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)錄和翻譯激活后持續(xù)積累，并在第一次譜系分化時期達到最高豐度。這類蛋白質(zhì)被命名為ZGA-burst protein，其積累模式暗示它們可能在第一次譜系分化的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。為驗證這一論點，研究選擇數(shù)個符合這一動態(tài)規(guī)律的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在小鼠的一細胞階段進行基因敲除實驗，鑒定出多個新穎因子參與著床前胚胎的發(fā)育。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，ZGA基因的缺失未影響ZGA階段的基因表達，但阻礙了發(fā)育后期囊胚的形成，這提供了關(guān)于ZGA如何調(diào)控第一次譜系分化的新證據(jù)。
進一步，該研究選擇人類著床前低質(zhì)量（PQ）胚胎形成這一常見臨床事件，來驗證發(fā)育蛋白質(zhì)圖譜的應(yīng)用價值。臨床實踐中，PQ胚胎的形成在同一患者之間存在異質(zhì)性。為此，研究招募超過100對輔助生殖患者，并對其產(chǎn)生的140余枚臨床上常規(guī)丟棄的PQ胚胎進行單胚胎蛋白質(zhì)組分析。研究顯示，在單胚胎水平，平均可鑒定出約4800種蛋白質(zhì)。分析表明，不同捐贈者來源的優(yōu)質(zhì)（GQ）胚胎在蛋白質(zhì)組層面表現(xiàn)出高度相似性；即使是來自同一捐贈者的PQ胚胎也可能被分為不同的亞型。除母源蛋白質(zhì)降解和新合成蛋白質(zhì)增加方面的失調(diào)，這些PQ胚胎普遍表現(xiàn)出穩(wěn)定蛋白質(zhì)失調(diào)。同時，研究發(fā)現(xiàn)了一些可能導(dǎo)致PQ胚胎形成的候選蛋白質(zhì)。
上述成果為探索人類和小鼠的著床前胚胎發(fā)育以及人類著床前發(fā)育失敗提供了新的視角、資源和思路。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、中國博士后科學(xué)基金會、上海市等的支持。
首幅著床前胚胎發(fā)育的跨物種深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜
研究主要內(nèi)容
本文鏈接：科學(xué)家解析人類早期胚胎發(fā)育的蛋白質(zhì)動態(tài)變化http://m.sq15.cn/show-12-680-0.html
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