2025年1月24日,，中國科學(xué)院腦智卓越中心/上海腦科學(xué)與類腦研究中心劉真,、孫怡迪,、朱文成,，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心木良善,，以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李辰合作在國際學(xué)術(shù)期刊Cell在線發(fā)表了題為“Comparative proteomic landscapes elucidate human preimplantation development and failure”的研究論文。在這項工作中,，研究團隊優(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。團隊結(jié)合跨物種比較和多組學(xué)整合分析,，系統(tǒng)性地解讀了哺乳動物早期胚胎發(fā)育的過程,，并圍繞臨床上常見的低質(zhì)量胚胎的形成進行了單胚胎蛋白質(zhì)組分析。該研究為理解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,，也為研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（第一次譜系分化）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)的不斷發(fā)展,，科學(xué)家們在早期胚胎轉(zhuǎn)錄組、表觀組和翻譯組的解析方面取得了重要進展,，極大地推動了對哺乳動物著床前胚胎發(fā)育的理解,。已有研究顯示早期胚胎發(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,，因此全面深入的蛋白質(zhì)組研究對于理解早期胚胎發(fā)育具有重要意義。然而,，由于蛋白質(zhì)不具有核酸的可擴增特性,，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)研究從蛋白質(zhì)組層面解讀了早期胚胎的發(fā)育。
研究團隊首先改進了前期開發(fā)的CS-UPT超敏蛋白質(zhì)組技術(shù)體系,，通過優(yōu)化裂解液體系,、簡化實驗流程、擴展譜圖數(shù)據(jù)庫等,，成功地在單枚人類卵細胞中鑒定出超過4500種蛋白質(zhì),。隨后，研究團隊應(yīng)用該技術(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)育階段共鑒定近8000種蛋白質(zhì)；而在小鼠研究中,，每個實驗重復(fù)僅使用20枚卵細胞或胚胎,，共鑒定超過6300種蛋白質(zhì)（見圖1）。
圖1.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,。
通過跨物種比較,，研究團隊發(fā)現(xiàn)人類和小鼠的蛋白質(zhì)動態(tài)差異主要集中在合子基因組激活前后（pre-ZGA和ZGA）。這一發(fā)現(xiàn)為理解物種間合子基因組差異性調(diào)控提供了蛋白質(zhì)組層面的基礎(chǔ),。與清華大學(xué)頡偉團隊及合作者繪制的翻譯組圖譜聯(lián)合分析后,，研究表明，相較于翻譯激活動態(tài),，蛋白質(zhì)的動態(tài)變化可分為三種類型：同步,、延遲和穩(wěn)定。研究人員在小鼠母源-合子轉(zhuǎn)換（MZT）早期進行了翻譯抑制和蛋白降解抑制實驗,，進一步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)育一個關(guān)鍵事件，在此時期胚胎基因組首次出現(xiàn)大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄,，然而這些新的轉(zhuǎn)錄本的具體功能卻并不清晰。在進一步整合早期胚胎轉(zhuǎn)錄組和翻譯組信息后,，研究人員對ZGA轉(zhuǎn)錄本進行了分類,，并定義了兩種主要類型：增加型ZGA（increasing ZGA, I-ZGA）和瞬時型ZGA（transient ZGA, T-ZGA）。有趣的是,，研究人員發(fā)現(xiàn)許多T-ZGA轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會在轉(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)控中起到重要作用,。為驗證這一點，研究人員選擇了數(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了基因敲除實驗,，并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,，這些ZGA基因的缺失未影響ZGA階段的基因表達,，但卻顯著阻礙了發(fā)育后期囊胚的形成，提供了關(guān)于ZGA如何調(diào)控第一次譜系分化的新證據(jù),。
隨后,，研究人員進一步選擇了人類著床前低質(zhì)量（poor quality, 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。在臨床實踐中,，PQ胚胎的形成在同一患者之間存在異質(zhì)性,。為此，研究人員招募了超過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胚胎進行了單胚胎蛋白質(zhì)組分析,。在單胚胎水平,，平均可鑒定出約4800種蛋白質(zhì)。分析結(jié)果表明,，不同捐贈者來源的優(yōu)質(zhì)（good quality, GQ）胚胎在蛋白質(zhì)組層面表現(xiàn)出高度相似性,；而即便是來自同一捐贈者的PQ胚胎，也可能被分為不同的亞型,。除了母源蛋白質(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)的失調(diào)。此外,，研究還揭示了一些可能導(dǎo)致PQ胚胎形成的候選蛋白質(zhì),。
圖2.研究的主要內(nèi)容。
總之,，該研究在技術(shù)改進,、資源挖掘、發(fā)現(xiàn)探索和臨床應(yīng)用等方面進行了整合,，為理解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,。
該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委,、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等相關(guān)計劃的資助。
