Cell Stem Cell | 林戈/蒋太交/徐凤萍合作揭示父母源基因组对人类早期胚胎发育的影响

人类胚胎发育起始于精卵结合，受精卵经过多次卵裂发育为由内细胞团和滋养层细胞组成的囊胚。体外受精胚胎的囊胚形成率约为40～50%，大部分胚胎阻滞在4-8细胞阶段。由于对精子和卵子基因组在胚胎早期发育过程中的作用知之甚少，目前还很难对阻滞胚胎进行精子或卵子因素的溯源分析。

2019年10月3日，中南大学林戈课题组、中国医学科学院蒋太交课题组与深圳华大生命科学研究院徐凤萍课题组共同合作在Cell Stem Cell杂志上发表了题为Single-cell transcriptome analysis of uniparental embryos reveals parent-of-origin effects on human preimplantation development的最新研究成果。该研究首次构建了人类单亲和双亲胚胎着床前发育时期的转录组和DNA甲基化图谱，并鉴定出1388个父母源基因组特异性表达基因，阐释了父母源基因组对着床前胚胎基因组激活（EGA）和细胞分化的作用。该研究为理解人类早期胚胎的父母源效应及调控机制，提供了翔实的数据和崭新的思路，是对胚胎发育父母源调控网络的重要补充和完善，将为早期胚胎发育异常的溯源分析提供坚实的理论依据。

在该研究中，林戈课题组及其合作团队以孤雌（PG）、孤雄(AG)和正常受精胚胎(BI)为模型，结合胚胎延时成像技术和单细胞多组学测序技术，系统地研究了父母源基因组对早期胚胎发育的影响。该研究发现，相比于双亲胚胎，单亲胚胎的发育潜能显著降低，异常分裂行为的发生率升高，并且单亲和双亲胚胎的发育速度出现明显差异，孤雄胚胎发育较快，孤雌胚胎发育较慢。项目组进一步将三组胚胎培养至囊胚，发现正常胚胎能够形成一个大的囊腔，外周为一圈平滑的滋养层细胞，囊腔内可见明显的内细胞团。相反，孤雌和孤雄囊胚的细胞分化均存在缺陷，孤雄囊胚未见明显的内细胞团，孤雌囊胚的滋养层细胞发育受限。

项目组收集孤雌、孤雄和正常受精胚胎进行单细胞转录组测序，结果显示三类胚胎主要EGA均发生在4细胞至桑椹胚时期，但是单亲胚胎表现出EGA激活程度下降和母源性物质清除不完全。通过单亲和双亲胚胎的基因表达差异分析鉴定出807个母源偏斜性表达基因（MBGs）和581个父源偏斜性表达基因（PBGs）。MBGs在胚胎4细胞阶段开始表达，对起始EGA过程有重要贡献。PBGs倾向于在胚胎8细胞时期开始表达，与胚胎紧密化和滋养层细胞分化密切相关，从而印证了前面观察到的胚胎表型差异。

图1 人类单亲和双亲胚胎着床前发育阶段的基因表达特征

为了进一步揭示MBGs和PBGs在人类着床前胚胎的调控机制，项目组对MBGs和PBGs进行了转录因子调控网络分析，发现MBGs的表达主要受DUX4, EGR2 和DUXA等核心转录因子调控，而PBGs主要受ZNF263 和 KLF3等核心转录因子调控。此外，项目组还分析了MBGs和PBGs在三类胚胎的DNA甲基化状态，发现PBGs的表达与父母源基因组特异性的DNA甲基化密切相关。

该研究系统全面地绘制了早期胚胎发育过程中的父母源基因组调控网络，对于认识人类早期胚胎发育及调控机制具有重要价值，为临床上胚胎发育异常等疑难病例的诊治提供了新的理论依据。

图2  MBGs 和PBGs 的转录调控网络

据悉，中南大学林戈研究员、深圳华大生命科学研究院徐凤萍博士和中国医学科学院蒋太交教授为本文通讯作者，冷丽智博士（中南大学）、孙继亚博士（中国医学科学院）和黄晋荣博士（深圳华大生命科学研究院）为本文共同第一作者。该研究得到了国家卫生健康委员会人类干细胞与生殖工程重点实验室、中信湘雅生殖与遗传专科医院等单位的大力协助和支持。

林戈教授团队近年来致力于人类早期胚胎发育的应用基础研究，此前（今年1月）与华大基因合作在国际重要学术期刊Nature Communications上发表了关于人类着床前胚胎染色质变化与基因转录的相关研究成果，首次在染色质开放和转录两个组学层面系统地描绘人类早期胚胎发育过程中多个关键阶段染色质状态和基因表达的动态变化。

原文链接：

https:///10.1016/j.stem.2019.09.004

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