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专家点评Cell | 刘真/木良善/李辰/孙怡迪/朱文成合作从蛋白质动态层面解读人类早期胚胎发育的成功与失败

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-24 08:44

正文

点评 | 乔杰（北京大学）

哺乳动物着床前胚胎发育包含受精、合子基因组激活（ZGA）、滋养层细胞和内细胞团的分化（第一次谱系分化）等关键生物学事件。近年来，随着单细胞/微量核酸测序组学技术的不断发展，科学家们在早期胚胎转录组、表观组和翻译组的解析方面取得了重要进展，极大地推动了对哺乳动物着床前胚胎发育的理解。已有研究显示早期胚胎发育阶段，转录和翻译之间存在大量的解偶联调控【1-4】。蛋白质是细胞发挥功能的主要分子机器，因此全面深入的蛋白质组研究对于理解早期胚胎发育具有重要意义。然而，由于蛋白质不具有核酸的可扩增特性，先前的胚胎蛋白质组学研究通常需要大量胚胎样本，或者蛋白质的鉴定深度较为有限。目前，只有少数研究从蛋白质组层面解读了早期胚胎的发育【5-7】。

2025年1月23日，中国科学院脑智卓越中心/上海脑科学与类脑研究中心刘真、孙怡迪、朱文成，复旦大学附属中山医院生殖医学中心木良善，以及上海交通大学医学院李辰合作在Cell在线发表了题为Comparative proteomic landscapes elucidate human preimplantation development and failure的研究论文。在这项工作中，研究团队优化了此前开发的超灵敏蛋白质组学技术体系，并通过低投入的样本描绘了人类和小鼠着床前胚胎的深度蛋白质组景观图谱。团队结合跨物种比较和多组学整合分析，系统性地解读了哺乳动物早期胚胎发育的过程，并围绕临床上常见的低质量胚胎的形成进行了单胚胎蛋白质组分析。该研究为理解哺乳动物着床前胚胎发育提供了跨物种的新资源，为通过多组学解析早期胚胎发育机制提供了新思路，也为研究人类着床前胚胎发育失败建立了新范式。

研究团队首先改进了前期开发的CS-UPT超敏蛋白质组学技术体系【8,9】，通过优化裂解液体系、简化实验流程、扩展谱图数据库等，成功在单枚人类卵细胞中鉴定出超过4500种蛋白质。随后，研究团队应用该技术绘制了人类和小鼠卵细胞及着床前胚胎发育过程中的深度蛋白质组景观图谱。在人类研究中，每个实验重复仅使用5枚卵细胞或胚胎，在不同发育阶段共鉴定近8000种蛋白质；而在小鼠研究中，每个实验重复仅使用20枚卵细胞或胚胎，共鉴定超过6300种蛋白质（见图1）。

图1. 首幅着床前胚胎发育的跨物种深度蛋白质组景观图谱。

通过跨物种比较，研究团队发现人类和小鼠的蛋白质动态差异主要集中在合子基因组激活前后（pre-ZGA和ZGA）。这一发现为理解物种间合子基因组差异性调控提供了蛋白质组层面的基础。与清华大学颉伟团队及合作者绘制的翻译组图谱【1,3】 联合分析后，研究表明，相较于翻译激活动态，蛋白质的动态变化可分为三种类型：同步、延迟和稳定。研究人员在小鼠母源-合子转换（MZT）早期进行了翻译抑制和蛋白降解抑制实验，进一步验证了观察到的胚胎蛋白质组动态。

ZGA是早期胚胎发育一个关键事件，在此时期胚胎基因组首次出现大规模的转录，然而这些新的转录本的具体功能却并不清晰。在进一步整合早期胚胎转录组和翻译组信息后，研究人员对 ZGA 转录本进行了分类，并定义了两种主要类型：增加型ZGA（increasing ZGA, I-ZGA）和瞬时型ZGA（transient ZGA, T-ZGA）。有趣的是，研究人员发现许多 T-ZGA 转录本产生的蛋白质会在转录和翻译激活后持续积累，并在第一次谱系分化时期达到最高丰度。这类蛋白质被命名为“ZGA-burst protein”，其积累模式暗示它们可能在第一次谱系分化的调控中起到重要作用。为验证这一点，研究人员选择了数个符合这一动态规律的转录调控因子，在小鼠的一细胞阶段进行了基因敲除实验，并鉴定出多个新颖因子参与着床前胚胎的发育。转录组分析显示，这些 ZGA 基因的缺失未影响 ZGA 阶段的基因表达，但却显著阻碍了发育后期囊胚的形成，提供了关于 ZGA 如何调控第一次谱系分化的新证据。

随后，研究人员进一步选择了人类着床前低质量（poor quality, PQ）胚胎形成这一常见临床事件来验证发育蛋白质图谱的应用价值【10】。在临床实践中，PQ 胚胎的形成在同一患者之间存在异质性。为此，研究人员招募了超过 100 对辅助生殖患者，并对其产生的 140 余枚临床上常规丢弃的 PQ 胚胎进行了单胚胎蛋白质组分析。在单胚胎水平，平均可鉴定出约 4800 种蛋白质。分析结果表明，不同捐赠者来源的优质（good quality, GQ）胚胎在蛋白质组层面表现出高度相似性；而即便是来自同一捐赠者的 PQ 胚胎，也可能被分为不同的亚型。除了母源蛋白质降解和新合成蛋白质增加方面的失调，这些 PQ 胚胎普遍表现出稳定蛋白质的失调。此外，研究还揭示了一些可能导致 PQ 胚胎形成的候选蛋白质。

图2. 研究的主要内容。

总之，该研究在技术改进、资源挖掘、发现探索和临床应用等方面进行了整合，为理解人类和小鼠的着床前胚胎发育，以及人类着床前发育失败提供了新的视角、资源和思路。

中国科学院脑智卓越中心刘真研究员、孙怡迪研究员、朱文成博士，复旦大学附属中山医院生殖医学中心木良善医生，以及上海交通大学医学院李辰研究员为该论文的通讯作者。中国科学院脑智卓越中心朱文成博士、研究生孟娟和刘文俊，温州医科大学附属第一医院生殖医学中心李燕，上海交通大学医学院研究助理顾蕾为共同第一作者。该工作还得到了其他团队成员的大力帮助。

专家点评

乔杰（中国工程院院士，北京大学）

早期胚胎的正常发育依赖于卵子生长过程中储存的mRNA和蛋白质等物质，在人类胚胎发育的初期阶段，转录活动保持相对沉默，直到ZGA（胚胎基因组激活）时期逐渐恢复。分子生物学的中心法则表明，基因通过转录和翻译过程最终形成蛋白质，蛋白质是大多数生物学功能的实际执行者，是基因型决定表型的最终体现。然而，由于蛋白质难以扩增，对于低起始量的胚胎样本，亟需高灵敏度的蛋白组学技术。

随着单细胞/微量细胞组学技术的不断发展，近年来科学家们绘制并完善了哺乳动物母源-合子转换（MZT）过程以及谱系分化等早期胚胎发育关键过程中的基因转录及翻译图谱。2022年，哈佛大学的张毅团队、清华大学的颉伟团队和纪家葵团队，分别开发了低输入的LiRibo-seq、Ribo-RNA-lite、T&T-seq等多种低起始量翻译组技术，成功鉴定了人类和小鼠卵母细胞及植入前胚胎中的一系列关键转录因子，如TPRX和OBOX家族等。2023年，北大团队利用单细胞蛋白组学技术对人植入前胚胎发育中的蛋白质组特征进行分析，发现在MZT过程中存在“母源蛋白组激活”和“合子蛋白组激活”现象。然而，受限于技术和材料，对于低丰度蛋白特别是转录因子等的准确定量检测仍存在较大困难。

近期，刘真/木良善/李辰/孙怡迪/朱文成合作团队通过对前期开发的超灵敏蛋白组技术的进一步改进，在人类和小鼠卵母细胞到植入前胚胎的多个发育阶段进行了高深度的蛋白组检测，绘制了近8000种蛋白质的在人类胚胎发育过程中的动力学变化。通过将人类和小鼠卵母细胞/植入前胚胎的转录组、翻译组、蛋白组学数据进行整合分析，研究发现人类和小鼠的蛋白质动态差异主要集中在ZGA前（pre-ZGA）和ZGA时期，提示ZGA的调控机制可能存在显著的物种特异性。研究还发现ZGA期间产生的转录本可为囊胚期蛋白质积累做准备，参与第一次谱系命运的决定。这些发现阐明了转录、翻译和蛋白质协调控制在人类和小鼠早期胚胎正常发育中的重要性，并为理解其他哺乳动物和非哺乳动物的MZT过程提供了新的视角。此外，本文还对IVF过程中常见的低质量（PQ）胚胎的蛋白组学分析，研究鉴定出了多个与PQ胚胎相关的标记蛋白，如NCOA3、PHF8、ADD3等，为着床前遗传学诊断和未来可能的干预策略提供了潜在的分子靶标。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.028

制版人：十一

参考文献

1. Xiong, Z., et al., Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development. Nat Cell Biol, 2022. 24(6): p. 968-980.

2. Zhang, C., et al., Profiling and functional characterization of maternal mRNA translation during mouse maternal-to-zygotic transition. Sci. Adv., 2022. 8(5): p. eabj3967.

3. Zou, Z., et al., Translatome and transcriptome co-profiling reveals a role of TPRXs in human zygotic genome activation. Science, 2022. 378(6615): p. abo7923.

4. Ozadam, H., et al., Single-cell quantification of ribosome occupancy in early mouse development. Nature, 2023. 618(7967): p. 1057-1064.

5. Gao, Y., et al., Protein Expression Landscape of Mouse Embryos during Pre-implantation Development. Cell Rep., 2017. 21(13): p. 3957-3969.

6. Dang, Y., et al., Functional profiling of stage-specific proteome and translational transition across human pre-implantation embryo development at a single-cell resolution. Cell Discov, 2023. 9(1): p. 10.

7. Israel, S., et al., An integrated genome-wide multi-omics analysis of gene expression dynamics in the preimplantation mouse embryo. Sci Rep, 2019. 9(1): p. 13356.

8. Gu, L., et al., Ultrasensitive proteomics depicted an in-depth landscape for the very early stage of mouse maternal-to-zygotic transition. J Pharm Anal, 2023. 13(8): p. 942-954.

9. Zhu, W., et al., Reading and writing of mRNA m6A modification orchestrate maternal-to-zygotic transition in mice. Genome Biol, 2023. 24(1): p. 67.

10. Li, Y., et al., Transcriptomic profiling of day 3 human embryos of poor quality reveals molecular links to divergent developmental trajectories. Cell Rep, 2024. 43(11): p. 114888.

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