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“我是从哪里来的？”是每个人小时候都会问的问题。现在我们都知道，每个人都是由一个小小的受精卵细胞经过复杂的胚胎发育过程变来的。胚胎发育过程，就像一套完善的程序，从受精那一刻启动，有条不紊、按部就班地逐渐运行程序的每一步，直到诞生一个鲜活的新生命(图1)。  图1. 每个人都是由一个小小的受精卵细胞经过复杂的胚胎发育过程变来的 从一个受精卵，到一个由200多种不同类型细胞组成的人体，离不开细胞的增殖及细胞命运的分化。细胞命运的分化(differentiation)是指细胞发生一系列的内外变化，产生在性质、结构、功能上不同的细胞类型的过程。然而细胞在表现出明显的形态和功能变化之前，会发生隐蔽性的变化，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为细胞命运决定(determination)或特化 (图2)。  图2. 干细胞的自我更新、特化及分化 19世纪80年代，胚胎学家Weismann提出了嵌合型发育(mosaic development)学说，他认为受精卵中存在大量的信息物质——形态发生决定子(determinant，或称为成型素、胞质决定子)，随着卵裂的进行，决定子会被不均等地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。本质上讲，嵌合型发育学说认为组成有机体的所有细胞的命运，早在受精卵时期就已经决定了。1887年胚胎学家Roux的实验结果支持嵌合型发育学说。Roux用烧热的解剖针破坏2-细胞期蛙胚的一个卵裂球，结果存活的另一个卵裂球只能发育为半个胚胎(图3)。  图3. Roux验证嵌合型发育学说的实验 1891年Hans Driesch以海胆为材料重复Roux的实验，他将2-细胞时期的海胆胚胎分离成两个单独的卵裂球，结果得到了两个发育正常但个体较小的海胆(图4)。因此Hans Driesch提出了调整型发育(regulative development)学说，认为早期胚胎发育并不是一成不变的，允许胚胎细胞对命运做出适当调整。
 图4. Driesch提出调整型发育的实验 胚胎发育过程中第一次细胞命运决定发生在什么时期？是通过什么机制实现的？这是发育生物学领域一直关注的问题之一。低等动物胚胎发育过程由于母源物质丰富，合子基因激活较晚，其嵌合型发育模式在早期胚胎发育过程中得到了充分体现，例如，线虫在第一次卵裂时形成一个AB大细胞和一个含有P颗粒的P1小细胞。第一次细胞命运分化在2-细胞时期发生，而第一次细胞命运决定则是由受精卵中P颗粒等母源物质的分布不均实现的。哺乳动物的受精卵含有的母源物质比低等动物要少得多，其合子基因激活在1-细胞末期即开始发生。从形态学角度，小鼠胚胎在8-细胞致密化之前各个卵裂球之间无明显差别(图5)。  图5. 线虫早期胚胎发育存在明显的嵌合型发育模式但小鼠上并不是 以小鼠为例，人们对哺乳动物胚胎发育第一次细胞命运决定的认知，主要经历了三个阶段。第一阶段，早在1967年，基于形态学观察内外模型被提出，认为在囊胚腔出现后，胚胎细胞因环境不同有了明确的内外分布，导致第一次命运决定[1]。第二阶段，1981年，基于形态学观察内外极化模型被提出，认为在8-细胞时期发生的致密化，使胚胎外表面形成了致密的细胞膜，随着细胞分裂的进行，致密化细胞膜在16-细胞时期出现不同程度的继承，继承了致密化细胞膜的细胞留在了胚胎表面，没有继承致密化细胞膜的细胞进入了胚胎内部，导致第一次细胞命运分化[2,3]。第三阶段，随着分子生物学的发展，自2007年开始，越来越多的证据表明早在4-细胞期不同卵裂球之间就已经出现差异，例如CARM1及PRDM14催化的组蛋白H3精氨酸甲基化水平，具有更高H3R26me2的卵裂球倾向ICM命运[4]；SOX2、OCT4与DNA结合程度及时间不同，结合更紧密的卵裂球倾向于ICM命运[5,6]；以及SOX2/OCT4靶基因表达水平高低，比如SOX21表达水平高的卵裂球倾向ICM命运[7]。即第一次细胞命运分化发生在4-细胞时期(图6)。  图6.对小鼠胚胎发育第一次细胞命运决定的认知发展 随着高通量测序的发展，科学家们普遍认为小鼠2-细胞期两个卵裂球之间已经产生了差异，但究竟哪些差异会造成细胞命运分化？2-细胞期是否存在可以决定细胞命运的生物分子呢？ 中国科学院动物研究所周琪实验室和李伟实验室一直从事细胞重编程及早期胚胎发育的研究，对重编程的机制、细胞全能性的本质以及第一次细胞命运分化的机理充满着深刻的好奇。近日，这两个研究组在Cell上合作发表了一篇题为“Asymmetric expression of LincGET biases cell fate in 2-cell mouse embryos”的论文，对上述问题进行了阐释。 在2016年，东北农业大学刘忠华实验室和中国科学院动物研究所周琪实验室联合报道了一个内源逆转录病毒相关的小鼠2-细胞发育所必需的长非编码RNA，其在小鼠2-和4-细胞期特异表达，干扰后胚胎阻滞于2-细胞晚期，作者将其命名为LincGET [8]。在这篇Cell文章中，作者对LincGET进行了进一步的研究。他们发现，LincGET在小鼠2-和4-细胞期各个卵裂球之间是不均等分布的(图7)。那么这是否意味着LincGET将小鼠胚胎发育的第一次命运分化提前到了2-细胞阶段呢？  图7. LincGET在小鼠2-和4-细胞期各个卵裂球之间不均等分布 通过显微注射的方法，在2细胞的一个卵裂球中过表达LincGET，同时注射核膜定位的绿色荧光蛋白GFP作为示踪分子，然后在囊胚期对其子细胞命运进行分析。结果表明，过表达LincGET能使卵裂球倾向ICM命运。而过表达其他一些对照RNA并没有这种影响命运分化的现象。另外，在过表达LincGET的同时干扰CARM1，卵裂球命运倾向于TE，表明LincGET调控ICM命运倾向依赖CARM1 (图8)。  图8. 过表达LincGET能使卵裂球倾向ICM命运 借助一系列的分子生物学手段，文章发现LincGET与CARM1形成复合体，并促进后者的核定位(图9)。其中CARM1的反式转录激活结构域是与LincGET结合所必需的。  图9. LincGET与CARM1形成复合体并促进后者的核定位 在功能方面，LincGET/CARM1复合体可以增加H3R26me修饰水平，提高Nanog、Sox2、Sox21等ICM特异基因的表达。通过ATAC-seq，文章发现LincGET/CARM1可以特异性提高ICM基因启动子区域的开放程度(图10)。
 图10. LincGET/CARM1可以特异性提高ICM基因的表达 为什么LincGET/CARM1会促进ICM命运呢？机制研究表明，LincGET/CARM1复合体能特异性结合转座序列，建立激活型染色质修饰H3R26me2等，增加转座序列区域染色质区域开放程度，并向周围扩展，从而增加离转座序列更近的多能性相关基因的染色质区域开放程度，提高多能性相关基因的表达水平，从而促进ICM命运倾向(图11)。  图11. LincGET调控命运倾向的机制模型 文章首次将小鼠早期胚胎发育的第一次细胞命运决定推到了2-细胞时期，而且发现其关键分子是一个内源逆转录病毒相关的长非编码RNA。长非编码RNA为分子生物学研究提供了新的层面，在多能性、神经分化、癌症发生等领域大显身手，但由于实验材料及实验技术的限制，在早期胚胎发育过程中的功能研究屈指可数。该文章扩展了长非编码RNA的功能领域，为早期胚胎中长非编码RNA的功能探索，提供了新的参考和思路。 内源逆转录病毒在不同物种的早期胚胎发育过程中异常活跃，但人们对其功能知之甚少，目前仍停留在内源逆转录病毒活性与多能性水平相关的层面上：MuERV-L与2-细胞样小鼠ESCs [9]；HERVK和naive-like的人ESCs [10]。该文章发现LincGET可以广泛促进转座序列的染色质开放，并发现转座序列倾向于靠近ICM相关基因，远离TE相关基因，这就提出来一种可能——转座序列的活化将染色质活化信号向周围扩展，从而激活ICM相关基因。这不仅扩展了内源重复序列的功能机制，同时为早期胚胎发育过程中高度活跃的内源逆转录病毒的研究提供了新的线索和方案。 随着基因编辑技术和干细胞技术的不断革新，干细胞治疗终将会带来再生医学的革新，如何获得多能性等级更高甚至全能性的干细胞是干细胞领域关注的核心问题之一。早期胚胎无疑是最高全能性的代表，对全能性以及第一次细胞命运分化机理的探索，将会加深人们对早期胚胎全能性本质的认识，为更高多能性甚至全能性干细胞的建立提供新的理论参考，驱动干细胞相关技术的发展，推动干细胞治疗走向临床。 参考文献 1. Tarkowski, A.K. and J. Wroblewska, Development of blastomeres of mouse eggs isolated at the 4- and 8-cell stage.J Embryol Exp Morphol, 1967. 18(1): p. 155-80. 2. Rossant, J. and P.P. Tam, Blastocyst lineage formation, early embryonic asymmetries and axis patterning in the mouse.Development, 2009. 136(5): p. 701-13. 3. Johnson, M.H. and C.A. Ziomek, The foundation of two distinct cell lineages within the mouse morula.Cell, 1981. 24(1): p. 71-80. 4. Torres-Padilla, M.E., et al., Histone arginine methylation regulates pluripotency in the early mouse embryo.Nature, 2007.445(7124): p. 214-218. 5. White, M.D., et al., Long-Lived Binding of Sox2 to DNA Predicts Cell Fate in the Four-Cell Mouse Embryo.Cell, 2016. 165(1): p. 75-87. 6. Plachta, N., et al., Oct4 kinetics predict cell lineage patterning in the early mammalian embryo.Nat Cell Biol, 2011. 13(2): p. 117-23. 7. Goolam, M., et al., Heterogeneity in Oct4 and Sox2 Targets Biases Cell Fate in 4-Cell Mouse Embryos.Cell, 2016. 165(1): p. 61-74. 8. Wang, J., et al., A novel long intergenic noncoding RNA indispensable for the cleavage of mouse two-cell embryos.EMBO Rep, 2016. 17(10): p. 1452-1470. 9. Macfarlan, T.S., et al., Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity, in Nature. 2012. p. 57-63. 10. Grow, E.J., et al., Intrinsic retroviral reactivation in human preimplantation embryos and pluripotent cells.Nature, 2015.
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