Cell｜生命的第一筆：受精觸發(fā)的非對稱性

撰文 | 風(fēng)

在哺乳動物中，受精卵經(jīng)歷一系列卵裂分裂產(chǎn)生胚胎和胚胎外細(xì)胞。在囊胚形成過程中發(fā)生兩個連續(xù)的重要事件：第一，生成滋養(yǎng)外胚層（trophectoderm，TE）和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（inner cell mass，ICM）；第二，ICM進(jìn)一步分化為上胚層（epiblast）和原始內(nèi)胚層（primitive endoderm，PE）。數(shù)十年來，普遍認(rèn)為所有卵裂球在發(fā)育潛能上具有等效性-至少在16-細(xì)胞階段之前具有同樣的潛力發(fā)育為所有譜系。然而，這個觀念逐漸受到挑戰(zhàn)。目前越來越多的證據(jù)表明，全能性在譜系特化前就逐漸且不平等地在卵裂球中喪失【1】（詳見BioArt報道：）。小鼠譜系追蹤實驗發(fā)現(xiàn)2-細(xì)胞胚胎的姐妹卵裂球?qū)ε咛ズ团咛ネ庾V系的貢獻(xiàn)存在差異【2】。此外，將2-細(xì)胞胚胎分割為單卵“半胚胎”后通常只有一個卵裂球能發(fā)育為存活胚胎【3】。類似地，人類中也觀察到這種不對稱性：體細(xì)胞突變推斷跨組織譜系的克隆分析表明，早期卵裂球?qū)ε咛ケ旧砗吞ケP的貢獻(xiàn)并不均衡【1】；譜系追蹤進(jìn)一步證實，上胚層的大部分通常僅來源于2-細(xì)胞期的一個卵裂球，而兩個卵裂球均參與胚外組織形成【2】。盡管如此，這種早期不對稱性的分子基礎(chǔ)仍然不清楚。在黑腹果蠅等物種中，對稱性打破由mRNA的不對稱定位驅(qū)動，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分布不均和細(xì)胞命運(yùn)分化【4】。在哺乳動物中，單細(xì)胞RNA測序已揭示卵裂球間存在轉(zhuǎn)錄組差異【5】。然而，這種RNA水平的非對稱性在不同胚胎間并非一致存在，且轉(zhuǎn)錄本豐度與蛋白質(zhì)水平在不同組織或發(fā)育過程中也并非總是相關(guān)。因此，解析哺乳動物胚胎單個卵裂球間是否存在蛋白質(zhì)組差異是必要的。

2025年12月3日，英國劍橋大學(xué)生理、發(fā)育與神經(jīng)科學(xué)學(xué)系Magdalena Zernicka-Goetz團(tuán)隊在Cell雜志在線發(fā)表了題為Fertilization triggers early proteomic symmetry breaking in mammalian embryos的研究文章。該研究通過單細(xì)胞多重質(zhì)譜技術(shù)分析小鼠和人類胚胎單個卵裂球的蛋白質(zhì)組差異，首次揭示一種由受精作用引起的胚胎早期發(fā)育的蛋白質(zhì)組非對稱性且可以傳遞至子代卵裂球，并證實β亞型卵裂球具有更強(qiáng)的發(fā)育潛能，為理解胚胎全能性維持和早期譜系偏向提供了重要線索。

為了研究早期蛋白質(zhì)組的非對稱性，作者使用單細(xì)胞多重質(zhì)譜技術(shù)（SCoPE2）在3種樣本中檢測蛋白質(zhì)組學(xué)差異：早期2-細(xì)胞胚胎（合子基因組激活前）；晚期2-細(xì)胞胚胎（合子基因組激活期間）；4-細(xì)胞胚胎。聚類分析顯示卵裂球明確分為兩個穩(wěn)定的聚類α型和β型。在所有分析的2-細(xì)胞胚胎中均包括一個α亞型和一個β亞型卵裂球。每個卵裂球平均定量到1043種蛋白質(zhì)中，差異分析顯示349種在α和β亞型間豐度存在顯著差異的蛋白質(zhì)，例如Padi6、RNF114、Rdx 和 Cdc42。從早期到晚期2-細(xì)胞期再到4-細(xì)胞期，卵裂球間的蛋白質(zhì)組差異幅度逐漸增大。總之，團(tuán)隊首次在小鼠2-細(xì)胞期胚胎中發(fā)現(xiàn)姐妹卵裂球間蛋白質(zhì)組不對稱的證據(jù)。緊接著，作者進(jìn)一步探究這種不對稱是否起源于更早的受精卵階段。為此，作者沿動物-植物極軸（第一次卵裂分裂最常見的方向）對小鼠受精卵進(jìn)行人工經(jīng)向二分。SCoPE2技術(shù)對受精卵半體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)受精卵半體可分為兩個類似不同的聚類。相關(guān)性分析表明聚類1的受精卵半體與α亞型卵裂球相似，聚類2與β亞型一致。這些結(jié)果表明蛋白質(zhì)組不對稱起源于受精卵階段，并傳遞至2-細(xì)胞期。

隨后，作者對早期和晚期2-細(xì)胞期樣本進(jìn)行蛋白質(zhì)富集分析以揭示α和β亞型卵裂球的生物學(xué)過程差異。β亞型卵裂球富集蛋白質(zhì)運(yùn)輸相關(guān)通路，如離子通道、信號組件、分子馬達(dá)和囊泡運(yùn)輸，提示早期蛋白質(zhì)組異質(zhì)性可能與不同的發(fā)育軌跡相關(guān)。受精卵和早期2-細(xì)胞階段胚胎依賴母源遺傳成分，這核糖體組成差異會引起蛋白質(zhì)翻譯控制差異。核糖體蛋白豐度分析顯示大多數(shù)核糖體蛋白在α亞型卵裂球中的豐度略高于β亞型，提示兩種亞型在翻譯調(diào)控和蛋白質(zhì)加工通路中存在差異。為探究α和β亞型卵裂球間這種蛋白質(zhì)豐度差異的功能相關(guān)性，作者選取了三個候選蛋白：Nedd8（與內(nèi)細(xì)胞團(tuán)形成相關(guān)）、Gps1（與維持原始多能性和支持上胚層存活相關(guān)）和PSMC4（對胚胎發(fā)育至囊胚階段至關(guān)重要）。其中，Nedd8和Gps1在β亞型卵裂球中富集，而PSMC4在α亞型卵裂球中富集。dsRNA介導(dǎo)的敲低結(jié)合單個卵裂球注射和RFP標(biāo)記技術(shù)證實Nedd8敲低引起滋養(yǎng)外胚層譜系增加，而對上胚層和原始內(nèi)胚層無顯著影響，提示Nedd8 可能具有抑制滋養(yǎng)外胚層特化或增殖的作用；Gps1敲低降低對上胚層貢獻(xiàn)增加，對原始內(nèi)胚層的影響較弱，對滋養(yǎng)外胚層無影響，提示Gps1支持上胚層的特化或增殖；PSMC4敲低導(dǎo)致總細(xì)胞數(shù)減少，且所有譜系均降低，提示PSMC4影響所有譜系發(fā)育。總之，這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)早期蛋白質(zhì)組不對稱在植入前發(fā)育中具有生物學(xué)功能意義。隨后，為了進(jìn)一步評估α和β亞型的發(fā)育潛能，作者分離2-細(xì)胞期姐妹卵裂球，其中一個通過SCoPE2推斷亞型，另一個培養(yǎng)至囊胚階段。對所得囊胚的譜系組成分析顯示β亞型卵裂球發(fā)育形成的囊胚上胚層細(xì)胞比例顯著更高，而α亞型卵裂球形成的囊胚上胚層細(xì)胞更少。此外，β亞型卵裂球更易發(fā)育為上胚層細(xì)胞數(shù)≥4的囊胚（胚胎進(jìn)一步發(fā)育所需的最低閾值），提示β亞型卵裂球證實α-β亞型屬性可以預(yù)測發(fā)育潛能：β亞型卵裂球形成的上胚層細(xì)胞更多，發(fā)育能力更強(qiáng)，而α亞型卵裂球則與發(fā)育潛能降低相關(guān)。

那么，這種胚胎發(fā)育早期的蛋白非對稱性是受精引起還是母源遺傳？首先，作者通過質(zhì)譜在孤雌胚胎的2-細(xì)胞期姐妹卵裂球無明確聚類模式且無穩(wěn)定的蛋白質(zhì)組不對稱，表明母源因子不足以引起α和β亞型的產(chǎn)生。其次，作者在體外受精后立即用微珠標(biāo)記精子進(jìn)入位點(diǎn)，隨后以第二極體附著位點(diǎn)定義動物極，對受精卵進(jìn)行經(jīng)向二分，得到繼承精子進(jìn)入位點(diǎn)（微珠標(biāo)記）和未繼承該位點(diǎn)的兩個半體行SCoPE2測序，發(fā)現(xiàn)受精錐陽性與陰性半體間的蛋白質(zhì)組出現(xiàn)差異，且與2-細(xì)胞期姐妹卵裂球間的蛋白質(zhì)組差異及α-β亞型屬性顯著相關(guān)，提示受精作用觸發(fā)受精卵中的蛋白質(zhì)組不對稱，隨后傳遞給子代卵裂球。不僅如此，繼承精子進(jìn)入位點(diǎn)的卵裂球發(fā)育形成的囊胚上胚層細(xì)胞比例顯著更高，這與β亞型卵裂球的發(fā)育偏向一致，進(jìn)一步說明精子進(jìn)入位點(diǎn)發(fā)育為β亞型卵裂球。最后，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)人類2-細(xì)胞期胚胎的姐妹卵裂球同樣可以穩(wěn)定分為兩個不同的聚類，且與小鼠的 α-β差異模式一致。這些結(jié)果表明姐妹卵裂球間的蛋白質(zhì)組不對稱是哺乳動物早期發(fā)育的保守特征。

綜上所述，這項研究首次給出早期胚胎卵裂發(fā)育中蛋白質(zhì)非對稱的直接證據(jù)。哺乳動物卵母細(xì)胞在受精后出現(xiàn)蛋白質(zhì)組的不對稱并傳遞給子代形成α-β亞型卵裂球，其中β卵裂球具有更高的發(fā)育潛能。該研究為了解早期發(fā)育異質(zhì)性和細(xì)胞命運(yùn)偏向的分子起源提供了新視角，也為早期分子差異如何影響全能性和譜系分配奠定了基礎(chǔ)，同時有助于通過指導(dǎo)胚胎選擇提高發(fā)育存活率，從而優(yōu)化輔助生殖技術(shù)。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.006

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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