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Dev Cell | 袁鹏团队揭示人类卵裂期胚胎阻滞新机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-15 08:38

正文

不孕症是全球范围内持续存在的生殖健康问题，据最新数据统计结果估计，我国约有18%的育龄夫妇受到影响【1】。尽管辅助生殖技术（Assisted Reproductive Technology，ART）是目前治疗不孕症的重要方式，但人类早期胚胎发育的高阻滞率显著制约了ART成功率，而其原因尚未完全明确。因此，阐明人类早期胚胎发育阻滞的分子调控机制，探索潜在的治疗策略，是辅助生殖领域亟待攻克的重大挑战和技术瓶颈。

母源转录本降解和合子基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）是早期胚胎发育过程中协同发生的两个关键事件，共同完成了母源-合子转换（Maternal-To-Zygotic Transition, MZT）。作为卵裂期胚胎最为关键的事件之一，MZT标志着胚胎发育逐渐由母体基因组主导过渡到胚胎基因组主导。已有研究表明母源转录本降解异常与人类胚胎发育潜能下降密切相关【2】，提示MZT异常会导致胚胎发育阻滞。尽管在小鼠中已鉴定出多个调控MZT的关键因子，但由于人类和小鼠之间MZT过程保守性相对较低，人类MZT的关键调控因子仍需进一步深入探索。

2025年1月13日，北京大学第三医院袁鹏团队在Developmental Cell在线发表了题为Allelic transcriptomic profiling identifies the role of PRD-like homeobox genes in human embryonic cleavage-stage arrest的研究论文。该研究系统解析了人类早期胚胎的等位基因转录调控特征，发现转录停滞是导致卵裂期胚胎阻滞的重要原因，并鉴定出MZT的关键调控转录因子DPRX和ARGFX，其异常是人类卵裂期胚胎阻滞的分子机制。这一发现为临床中反复胚胎发育阻滞的诊断和精准治疗提供新的参考，有助于人类胚胎体外培养体系的优化、ART成功率的提高。

研究团队首先结合单细胞转录组测序技术和单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）分析，建立了人类早期胚胎等位基因特异性转录组图谱。母源转录本比例（Maternal Allelic Ratio，MAR）在4细胞和8细胞阶段迅速下降，在桑葚胚和囊胚阶段，母源与父源基因组的整体转录活性基本达到动态平衡。研究发现即使八细胞期胚胎形态正常，但胚胎间的MAR存在很大差异，从53%-97%不等，而高MAR胚胎处在转录停滞状态（Transcriptionally Arrested Status，TAS），表现为ZGA广泛受损和母源降解失败，谱系分化相关基因表达异常，以及部分早期胚胎特异性基因的异常激活。

母源转录本的及时清除和胚胎转录本的新生共同促进了MZT过程，该研究实现了双亲胚胎中的父母源转录本比例的准确量化，发现胚胎中母源转录本比例可以准确量化胚胎MZT的完成度。调控MZT的母源因子（如BTG4和TPRXL）的表达水平与MAR呈强正相关，而调控MZT的ZGA基因，如TPRX1/2、LSM1和ZNF675，则与MAR呈高度负相关。在所有基因中，研究者发现PRD-like同源盒转录因子家族DPRX与ARGFX的表达水平与MAR的负相关性最强，且与ZGA基因的表达高度正相关。在分别对DPRX、ARGFX进行敲降后发现，这两个转录因子间存在功能冗余。研究团队进一步联合敲降DPRX与ARGFX（dKD），发现胚胎发育潜能显著降低，大多数ZGA基因未能正常激活，谱系分化相关基因的表达也受到了影响。

值得注意的是，dKD胚胎中下调基因最显著富集在组蛋白去乙酰化酶功能通路，而dKD胚胎中的H3K27ac信号水平显著升高。进一步分析发现，dKD导致了H3K27ac的异常滞留，并导致部分基因处于延长激活状态。这一现象在TAS胚胎中同样存在。基于这一发现，研究者们进一步探讨是否可以通过干预乙酰化的异常滞留来挽救胚胎发育阻滞表型。通过在培养液中添加能够促进HDAC1去乙酰化作用的药物依昔苯酮（Exifone），有效降低H3K27ac修饰水平，进而改善了dKD胚胎的发育潜能。鉴于生理条件下也存在部分胚胎出现异常滞留的乙酰化修饰，研究团队进一步将研究扩展到正常胚胎，并发现擦除乙酰化的异常滞留同样能够提升生理状态下胚胎的发育潜力。以上结果提示DPRX，ARGFX缺陷导致的乙酰化异常滞留是人类卵裂期胚胎发育阻滞的直接原因。综上所述，本项研究利用等位基因转录本特征量化了MZT过程，发现人类胚胎中存在较高比例的转录停滞胚胎，鉴定出了人类卵裂期胚胎阻滞的关键MZT调控因子DPRX和ARGFX，并提供了挽救胚胎发育阻滞的潜在治疗思路。

图1 利用等位基因转录特征揭示人类卵裂期胚胎阻滞关键调控因子DPRX和ARGFX

北京大学第三医院郭倩颖、徐凡清、宋石、孔思明、翟帆博士为本文的共同第一作者。

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/abstract/S1534-5807(24)00770-6

制版人：十一

参考文献

[1] Li Q, Yang R, Zhou Z, Qian W, Zhang J, Wu Z, Jin L, Wu X, Zhang C, Zheng B, Tan J, Hao G, Li S, Hao Y, Zheng D, Wang Y, Li R, Liu P, Qiao J. Fertility history and intentions of married women, China. Bull World Health Organ. 2024 Apr 1;102(4):244-254.

[2] He, Q.L., Yuan, P., Yang, L., Yan, Z.Q., Chen, W., Chen, Y.D., Kong, S.M., Tang, F.C., Qiao, J., and Yan, L.Y. (2022). Single-cell RNA sequencing reveals abnormal fluctuations in human eight-cell embryos associated with blastocyst formation failure. Mol Hum Reprod 28. 10.1093/molehr/gaab069.

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