卵母細胞向早期胚胎的基因表達模式轉換,即「母源-合子過渡(Maternal-to-zygotic transition,MZT)」,是早期胚胎發育過程中的第一個關鍵事件。在模式生物(如果蠅、斑馬魚、非洲爪蟾)和實驗動物(小鼠)中的研究都表明「母源-合子過渡」過程中母源mRNA的適時降解是胚胎自身基因組轉錄激活的一個重要前提。但是,人類卵母細胞受精前後母源mRNA的降解規律、生理意義,特別是與臨床上不孕不育的相關性還未見報導。
近日,廣東省第二人民醫院生殖中心生育力保護實驗室歐湘紅教授、中信湘雅醫院林戈教授、浙江大學生命科學研究院範衡宇教授團隊,在Nature Communications上合作發表了題為:Dynamics and clinical relevance of maternal mRNA clearance during the oocyte-to-embryo transition in humans的研究論文。
首次在全轉錄組水平上系統分析了人類「母源-合子過渡」過程中母源mRNA的降解模式、調控途徑及其與卵子成熟、合子基因組激活、胚胎發育潛能之間的相關性。
課題組首先發現,人卵母細胞中積累的大量母源mRNA在「母源-合子過渡」過程中分兩個波次發生降解:首先,伴隨著卵母細胞減數分裂成熟和排卵,一些不穩定的母源mRNA發生降解。
該過程主要受到母源性因子(包括去腺苷酸化酶複合體CCR4-NOT的關鍵催化亞基CNOT6L、CNOT7和CNOT7的輔助因子BTG4)的調控,並且與卵子是否受精、胚胎基因組是否激活沒有關聯,因此也被稱為母源性降解(Maternal decay,M-decay);另外一部分母源性mRNA則比較穩定,直到受精卵發育到8細胞期才發生降解。而這一時期恰好是胚胎自身基因開始表達的時間點,說明這部分母源mRNA的降解依賴於新合成的胚胎因子,稱為合子性降解(Zygotic decay,Z-decay)。
進一步研究表明,與早期胚胎基因表達密切相關的轉錄因子TEAD4及其輔因子YAP,以及受YAP-TEAD4誘導表達的mRNA末端尿嘧啶化修飾酶TUT4和TUT7,是促進Z-decay的關鍵胚胎因子。
圖1:人卵母細胞成熟和受精過程中母源mRNA的降解模式。a:本研究中人成熟卵子、體外受精胚胎的培養和取樣示意圖。b:人MZT過程中母源mRNA發生M-decay和Z-decay的分類。c: M-decay和Z-decay發生的時序性和相互關係。
接著,課題組應用這些理論研究結果,解析了臨床上輔助生殖病例中所觀察到的一些病理現象,並發現了一些新規律:
1)一些患者在激素超數排卵處理後取到的卵母細胞不能正常成熟,並且在受精後阻滯在1細胞階段。常規基因篩查也未檢測到這些患者攜帶已知的導致卵子成熟障礙的基因突變。但是,單細胞轉錄組分析結果表明,這些發育阻滯的受精卵雖然形態上看似正常,但未能有效清除那些本應發生M-decay的母源mRNA。
2)雖然目前已知TUBB8基因突變影響減數分裂過程中紡錘體組裝和染色體正確分離,是導致人類卵子成熟障礙和受精卵發育阻滯的一個常見原因,但在TUBB8突變的卵母細胞和受精卵中,母源mRNA的M-decay仍然可以正常發生,說明減數分裂過程中細胞骨架的組裝並非母源mRNA降解的必要前提條件。
3)還有一些患者,雖然可以產生成熟的卵母細胞並能夠正常受精、卵裂,但是在8細胞期發生不明原因的發育停滯,造成輔助生殖失敗。對這些胚胎進行轉錄組測序發現,本應通過Z-decay被清除的母源mRNA發生了明顯累積,而本應開始表達的早期胚胎基因未能有效進行轉錄。說明Z-decay途徑的缺失是造成8細胞期人胚胎阻滯的一個關鍵原因。
圖2:母源mRNA降解對人卵母細胞和受精卵發育潛能的影響。a:人卵母細胞母源mRNA M-decay的缺陷造成受精後發生1細胞期發育阻滯。b:人早期胚胎中母源mRNA Z-decay的缺陷造成胚胎發育在8細胞期發生阻滯。
本研究延續了作者近年來以小鼠為模型進行的「母源-合子過渡」機制研究,並且通過科學理論問題與臨床病理現象密切結合的探索,得出以下創新性結論:
1)雖然發育時程各不相同,但人和其他已研究過的物種一樣,都存在母源mRNA分階段的程序性降解;
2)人母源mRNA降解效率是決定胚胎發育潛能的因素之一:卵母細胞期的mRNA降解缺陷(即M-decay)導致合子發育阻滯,而胚胎期進一步的母源mRNA清除(即Z-decay)是順利發育通過8細胞期的關鍵;
3)在今後的輔助生殖臨床實踐中,可以通過評價母源mRNA降解程度,為不明原因的早期胚胎反覆停育(包括合子期停育和8細胞期停育)提供科學的解釋,從而能夠有針對性地提出進一步的診療建議。
圖3:人類母源-合子過渡過程中母源mRNA的降解動態、生理意義和調控機制的總結。在MZT過程中,母源mRNA分階段、分批次發生降解,包括BTG4和CCR4-NOT複合體介導的M-decay途徑和早期胚胎因子(YAP1-TEAD4、TUT4/7)與母源性因子共同介導的Z-decay途徑。如果M-decay或Z-decay途徑受阻,造成母源mRNA累積,會造成早期胚胎在特定階段發生細胞周期阻滯。
據悉,浙江大學範衡宇教授、廣東省第二人民醫院歐湘紅教授、中信湘雅生殖醫院林戈教授為本文共同通訊作者,廣東省第二人民醫院生育力保護實驗室沙倩倩博士和中信湘雅生殖醫院鄭偉博士為並列第一作者。
論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18680-6