《Nature》發文闡述人類圍著床期胚胎發育分子調控規律

　　2019年8月22日，北京大學第三醫院喬杰課題組和湯富酬課題組合作，在國際權威學術期刊《自然》（Nature，IF：43.07）在線發表研究成果“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”（“利用單細胞轉錄組和DNA甲基化組圖譜重構人類胚胎著床過程”）。

　　該研究應用體外模擬人類胚胎著床培養體系，經過與高精度單細胞多組學測序技術相結合，首次闡述了人類胚胎著床過程（受精后第5天到14天）基因表達調控網絡和DNA甲基化動態變化規律，解析了圍著床期胚胎發育的分子調控機制。

　　人類胚胎發育起始于精卵結合，受精卵通過多次卵裂發育為由內細胞團和滋養層細胞組成的囊胚。人類囊胚著床一般發生在受精后的第5~7天，胚胎與子宮內膜黏附并逐漸侵入，才能繼續發育形成胎兒。

　　自然妊娠情況下，20%以上的概率會發生停育或流產。已造福數百萬不孕患者的輔助生殖技術，成功率一直徘徊在40%左右，即使經過胚胎植入前遺傳學檢測，選擇染色體正常的胚胎進行移植，仍然會有一半左右的胚胎著床失敗或早期流產。

　　發生上述問題最重要的原因，就是早期胚胎的發育異常。既往對著床的過程研究通常是使用小鼠等模式生物進行。根據國際公認的“14天原則”，對人類胚胎的研究允許到受精后14天，但由于技術的限制，很難獲得早期著床后（7-14天）的人類胚胎，人類圍著床期胚胎發育的過程仍然是一個“黑匣子”，有待揭開其中的奧秘。

　　合作團隊長期聚焦于人類胚胎早期發育分子調控機制，先后建立了人類植入前胚胎和胎兒不同器官發育的基因表達或表觀遺傳圖譜，在Cell、Nature等國際知名期刊發表了系列研究成果。

　　在既往研究基礎上，本研究借助人類胚胎體外長時培養技術，模擬了人類胚胎的著床和早期著床后發育過程，系統解析了這一關鍵階段調控胚胎細胞譜系分化的基因表達和表觀遺傳特征。

　　該項研究的主要發現有：

　　1.人類胚胎在囊胚后期逐漸具備體外自我重構與著床的能力

　　圍著床期胚胎包括三類主要細胞譜系（上胚層、原始內胚層、滋養外胚層），各個譜系均逐漸呈現出各自獨特的基因表達特征，如上胚層呈現出明確的多能性轉變，原始內胚層則逐漸開始表達卵黃囊發育相關基因；而與著床相關的滋養外胚層細胞則特化成為合體滋養層和細胞滋養層兩類亞群，前者逐漸表達與妊娠建立相關基因（如CGB家族基因）。

　　研究還發現了新的合體滋養層細胞標志基因，如TCL6和TBX3。新的譜系標記基因有助于早期胚胎中的譜系鑒定，推動干/祖細胞衍生研究。

　　圖2 人類圍著床期胚胎的轉錄圖譜與分子特征

　　2.圍著床期胚胎中X染色體失活與上調兩種機制并存，調控X染色體上基因表達劑量

　　X染色體劑量平衡一直是發育生物學關注的焦點之一，X染色體失活（XCI）對于女性（有兩條X染色體）與男性（僅有一條X染色體）之間X染色體上基因的表達劑量平衡具有重要意義。

　　本研究發現雌性胚胎逐漸呈現出父源或母源X染色體隨機失活趨勢（XCI），但發育到12天的雌雄胚胎，X染色體劑量尚未達到平衡；另一方面，X染色體基因的表達量應與常染色體劑量平衡，需要通過上調雌性或雄性中的X染色體（XCU）來實現。在晚期胚胎單細胞中活躍的X染色體，需要上調至兩倍的表達劑量，達到和常染色體兩個拷貝同樣的表達劑量（X染色體/常染色體的表達劑量比從1：2上調到2：2）。該研究發現，著床階段，雌性和雄性胚胎細胞中均已啟動X染色體上調，但尚未達到上調兩倍的狀態。

　　3.圍著床期胚胎中各譜系細胞具有特異性DNA甲基化特征

　　DNA甲基化調控關鍵基因的轉錄，對維持細胞命運與譜系分化具有重要作用。利用團隊研發的單細胞多組學測序技術對三類主要細胞譜系的DNA甲基化進行深度分析，結果顯示，三類主要細胞譜系在著床前，即囊胚發育階段，具有相似的DNA甲基化模式；著床后，均發生了重新甲基化，迅速獲得了各自獨特的DNA甲基化特征。這一結果表明，胚胎在著床過程中經歷了表觀遺傳重編程，DNA甲基化參與了細胞命運的決定。

　　此項工作對于認識人類早期胚胎發育及著床機制、探索著床失敗的原因具有重要價值，為臨床上早期流產、胎兒畸形等疑難病例的診治提供了新的理論依據。雖然，人類體內和體外胚胎發育的具體差異有待進一步研究，但本研究為優化體外著床體系，為多能干細胞的分化與胚胎發育相關研究提供了重要依據。

　　北京大學博士后周帆，博士生汪睿、袁鵬、任一昕、毛雨諾為該論文的并列第一作者，湯富酬教授和喬杰院士為論文的共同通訊作者。該項研究得到了北京市科學技術委員會、國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。2019年8月22日，北京大學第三醫院喬杰課題組和湯富酬課題組合作，在國際權威學術期刊《自然》（Nature，IF：43.07）在線發表研究成果“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”（“利用單細胞轉錄組和DNA甲基化組圖譜重構人類胚胎著床過程”）。

　　該研究應用體外模擬人類胚胎著床培養體系，經過與高精度單細胞多組學測序技術相結合，首次闡述了人類胚胎著床過程（受精后第5天到14天）基因表達調控網絡和DNA甲基化動態變化規律，解析了圍著床期胚胎發育的分子調控機制。

　　人類胚胎發育起始于精卵結合，受精卵通過多次卵裂發育為由內細胞團和滋養層細胞組成的囊胚。人類囊胚著床一般發生在受精后的第5~7天，胚胎與子宮內膜黏附并逐漸侵入，才能繼續發育形成胎兒。

　　自然妊娠情況下，20%以上的概率會發生停育或流產。已造福數百萬不孕患者的輔助生殖技術，成功率一直徘徊在40%左右，即使經過胚胎植入前遺傳學檢測，選擇染色體正常的胚胎進行移植，仍然會有一半左右的胚胎著床失敗或早期流產。

　　發生上述問題最重要的原因，就是早期胚胎的發育異常。既往對著床的過程研究通常是使用小鼠等模式生物進行。根據國際公認的“14天原則”，對人類胚胎的研究允許到受精后14天，但由于技術的限制，很難獲得早期著床后（7-14天）的人類胚胎，人類圍著床期胚胎發育的過程仍然是一個“黑匣子”，有待揭開其中的奧秘。

　　合作團隊長期聚焦于人類胚胎早期發育分子調控機制，先后建立了人類植入前胚胎和胎兒不同器官發育的基因表達或表觀遺傳圖譜，在Cell、Nature等國際知名期刊發表了系列研究成果。

　　在既往研究基礎上，本研究借助人類胚胎體外長時培養技術，模擬了人類胚胎的著床和早期著床后發育過程，系統解析了這一關鍵階段調控胚胎細胞譜系分化的基因表達和表觀遺傳特征。

　　該項研究的主要發現有：

　　1.人類胚胎在囊胚后期逐漸具備體外自我重構與著床的能力

　　圍著床期胚胎包括三類主要細胞譜系（上胚層、原始內胚層、滋養外胚層），各個譜系均逐漸呈現出各自獨特的基因表達特征，如上胚層呈現出明確的多能性轉變，原始內胚層則逐漸開始表達卵黃囊發育相關基因；而與著床相關的滋養外胚層細胞則特化成為合體滋養層和細胞滋養層兩類亞群，前者逐漸表達與妊娠建立相關基因（如CGB家族基因）。

　　研究還發現了新的合體滋養層細胞標志基因，如TCL6和TBX3。新的譜系標記基因有助于早期胚胎中的譜系鑒定，推動干/祖細胞衍生研究。

　　2.圍著床期胚胎中X染色體失活與上調兩種機制并存，調控X染色體上基因表達劑量

　　X染色體劑量平衡一直是發育生物學關注的焦點之一，X染色體失活（XCI）對于女性（有兩條X染色體）與男性（僅有一條X染色體）之間X染色體上基因的表達劑量平衡具有重要意義。

　　本研究發現雌性胚胎逐漸呈現出父源或母源X染色體隨機失活趨勢（XCI），但發育到12天的雌雄胚胎，X染色體劑量尚未達到平衡；另一方面，X染色體基因的表達量應與常染色體劑量平衡，需要通過上調雌性或雄性中的X染色體（XCU）來實現。在晚期胚胎單細胞中活躍的X染色體，需要上調至兩倍的表達劑量，達到和常染色體兩個拷貝同樣的表達劑量（X染色體/常染色體的表達劑量比從1：2上調到2：2）。該研究發現，著床階段，雌性和雄性胚胎細胞中均已啟動X染色體上調，但尚未達到上調兩倍的狀態。

　　3.圍著床期胚胎中各譜系細胞具有特異性DNA甲基化特征

　　DNA甲基化調控關鍵基因的轉錄，對維持細胞命運與譜系分化具有重要作用。利用團隊研發的單細胞多組學測序技術對三類主要細胞譜系的DNA甲基化進行深度分析，結果顯示，三類主要細胞譜系在著床前，即囊胚發育階段，具有相似的DNA甲基化模式；著床后，均發生了重新甲基化，迅速獲得了各自獨特的DNA甲基化特征。這一結果表明，胚胎在著床過程中經歷了表觀遺傳重編程，DNA甲基化參與了細胞命運的決定。

　　此項工作對于認識人類早期胚胎發育及著床機制、探索著床失敗的原因具有重要價值，為臨床上早期流產、胎兒畸形等疑難病例的診治提供了新的理論依據。雖然，人類體內和體外胚胎發育的具體差異有待進一步研究，但本研究為優化體外著床體系，為多能干細胞的分化與胚胎發育相關研究提供了重要依據。

　　北京大學博士后周帆，博士生汪睿、袁鵬、任一昕、毛雨諾為該論文的并列第一作者，湯富酬教授和喬杰院士為論文的共同通訊作者。該項研究得到了北京市科學技術委員會、國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。