人類卵子和受精卵中母源mRNA的降解規律及其與發育潛能的相關性

2021-01-13 中國生物技術網

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

相關焦點

  • 孕2周:從受精卵如何發育成胎兒的?
    在受精卵發育為胚胎的過程中,首先是一團沒有分化的細胞,逐漸發育出兩個不對稱的軸——一頭一尾軸和一前一後軸。這種不對稱發育是受精卵內部化學反應的產物。這團細胞中的每個細胞,幾乎都能「辨析」出自己內部物質的「信息」,然後把這一信息輸入到一臺「功能強大的微型電腦」中,顯示屏上彈出這樣一條簡訊:你位於某一特定的部位。這個細胞就按照「指令」找到它所應去的地方,並在那裡發育。
  • 人類卵子冷凍技術取得新突破
    中安在線、中安新聞客戶端訊 安徽醫科大學曹雲霞教授領導的第一附屬醫院生殖醫學低溫團隊經過多年研究發現:褪黑素可以通過抑制氧化損傷和維持卵細胞膜通透性提高人卵母細胞的冷凍效果,這標誌著人類卵子冷凍技術取得新突破。
  • 人類早期胚胎發育組蛋白修飾重編程規律
    表觀遺傳學修飾參與基因表達調控並調控個體發育。在哺乳動物早期發育過程中,卵母細胞受精後形成具有全能性的受精卵,並經過細胞分裂與分化形成植入前囊胚,後者包含具有多能性的內細胞團(ICM)。伴隨著發育的進行,表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。
  • 中國科學家發現人類早期胚胎發育組蛋白重編程規律
    表觀遺傳學修飾參與基因表達調控並調控個體發育。在哺乳動物早期發育過程中,卵母細胞受精形成具有全能性的受精卵,並經過細胞分裂與分化形成植入前囊胚,後者包含具有多能性的內細胞團。伴隨著發育的進行,表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。近年來,以小鼠等模式生物為研究模型,DNA甲基化、染色質開放性、染色質高級結構以及組蛋白修飾等表觀遺傳學特徵的動態變化過程和規律都逐漸被揭示。
  • 安徽醫科大學取得人類卵子冷凍技術新突破
    卵母細胞的冷凍效果,人類卵子冷凍技術取得新突破。該研究探討了褪黑素對凍融後人卵母細胞發育潛能的影響及其分子機制,為建立安全、高效的人類卵子冷凍保存技術體系提供了新的技術及理論基礎,在促進人類卵子冷凍保存技術等實際應用方面具有重大社會意義。曹雲霞介紹,褪黑素是一種廣譜高效的抗氧化劑,主要由松果體分泌。先前研究已經表明,褪黑素可以促進超促排卵周期中人未成熟卵母細胞的發育。
  • 上海生科院系統解析小鼠早期胚胎中小RNA的動態變化及其生物學功能
    該研究利用優化的方法系統解析了小鼠卵子到受精後8細胞胚胎發育過程中的小RNA動態變化,發現小鼠卵子和早期胚胎主要包含三類小RNA:endo-siRNA、piRNA和miRNA。受精卵中的這三類小RNA絕大多數來源於卵子,由精子帶入卵子的小RNA不足幾百分之一。隨著胚胎的發育,母源endo-siRNA和piRNA逐漸被緩慢降解。
  • 竇肇華教授:精卵發育、受精卵分裂異常造成的胚胎染色體異常
    北京家恩德運醫院的竇肇華教授提到,造成胚胎染色體異常的原因一共有三個,分別為父母染色體異常、精子與卵子發育過程中的異常、受精卵分裂異常。上期我們分析了父母染色體異常對胚胎染色體的影響,今天繼續分析另外兩個原因。
  • 論文解讀--羅湖病毒可從親魚傳播至其生殖器官和受精卵
    報導發現在一些羅非魚孵化場,受精卵和羅非魚的早期發育階段中可以檢測到羅湖病毒,表明該病毒可能垂直傳播。然而,尚不清楚TiLV是否能夠從受感染的親魚群傳播到它們的生殖器官和後代。這篇文章研究旨在探討實驗感染的親魚能否將病毒傳給其生殖器官、卵子、精子和受精卵。
  • 鄭大一附院專家組揭示人類早期胚胎發育「表觀基因組重啟」機制
    表觀遺傳學修飾參與基因表達調控並調控個體發育。在哺乳動物早期發育過程中,卵母細胞受精形成具有全能性的受精卵,並經過細胞分裂與分化形成植入前囊胚,後者包含具有多能性的內細胞團。伴隨著發育的進行,表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。近年來,以小鼠等模式生物為研究模型,DNA甲基化、染色質開放性、染色質高級結構以及組蛋白修飾等表觀遺傳學特徵的動態變化過程和規律都逐漸被揭示。
  • 《Nature》重大突破:人造卵母細胞
    這一研究成果公布在10月17日的Nature雜誌上,為理解卵子形成進程提供了新的藍圖,也為實現人體ESCs和iPSCs轉化提供了技術鋪墊。紐約人類生殖研究中心主任,卵母細胞生物學家David Albertini(未參與該項研究)評價道,「這是真正的一項突破性成果。」
  • 誰讓卵母細胞適時醒來
    夏國良說,「這一研究為揭示卵母細胞成熟的分子機制提供了理論依據;對於揭示促性腺激素精確調控卵母細胞成熟與排卵的同步化,以及雌性的正常受精等機理具有重要的生物學意義;為人類卵巢早衰和卵巢多囊症的發病機理研究提供重要的理論參考;也為動物高效繁殖技術的應用奠定基礎。」 哺乳動物出生時,卵巢內已經有未成熟的卵母細胞存在。
  • 研究稱卵母細胞核仁是受精卵發育關鍵「部件」
    新華網東京2月4日電 (記者錢錚)日本理化研究所日前發布新聞公報說,該所科研人員參與的一個國際研究小組發現,卵母細胞的核仁是受精卵發育所需的關鍵「部件」。  新聞公報說,核仁是細胞核中央的高密度部分,日本和捷克等國研究人員在動物實驗中去除卵母細胞的核仁,結果發現,去除了核仁的卵母細胞和正常卵母細胞會用相同時間完成分裂,但是沒有核仁的卵母細胞分裂、受精後,受精卵的發育不久就停頓下來。
  • 「人造卵子」發展,還是沒有「卵用」
    研究人員同時面臨著倫理和生物兩方面的挑戰。日本一直是幹細胞技術領域的領跑者,2012年和2016年先後有山中伸彌、大隅良典兩位醫學家獲得諾貝爾醫學獎。最近,又一來自日本的研究小組利用人類幹細胞成功在人造小鼠卵巢內獲得人類卵原細胞,這無疑是人造卵子的又一裡程碑式成果!
  • 不靠精子和卵子 也能繁育下一代了
    當一枚不知疲倦的精子歷經千難萬險,尋找到了那枚孕育在母親體內的卵子。他們相互碰觸,而這一碰觸,便釋放了一個生命的火花,一個新的生命就醬嬸兒誕生啦!千百萬年來,精子和卵子的結合被認為是高等動物新生命誕生的必經之路,兩性生殖細胞的結合機制維持著生命的不斷繁衍,固有的生殖規律被認為很難改變。
  • 沈偉課題組在國際頂尖學術期刊闡述人造卵子的研究策略
    瞄準這一重大戰略問題,自2004年以來,沈偉教授課題組一直致力於卵母細胞體外發生模型建立和調節機制研究。近十年來,沈偉課題組相繼建立了原始卵泡體外形成和發育的動態模型,並獲得了體外受精胚胎;建立了原始生殖細胞體外分化卵母細胞的技術體系,並獲得了GV期的典型卵母細胞;在其基礎上,2012年實現了原始生殖細胞來源的GV期卵母細胞的體外成熟和受精,並獲得了囊胚。
  • Science:揭示卵母細胞的中心體不會遺傳給後代之謎
    2016年7月5日/生物谷BIOON/--在精子讓卵子受精後,一些細胞器是不對稱遺傳的,比如線粒體,它是由母體提供的,而父本精子中的線粒體會在受精後發生自我降解(詳情參見生物谷新聞:史上首次!揭示為何父本線粒體在受精後不會遺傳給後代)。
  • 研究找到控制卵母細胞成熟重要因子
    夏國良說,「這一研究為揭示卵母細胞成熟的分子機制提供了理論依據;對於揭示促性腺激素精確調控卵母細胞成熟與排卵的同步化,以及雌性的正常受精等機理具有重要的生物學意義;為人類卵巢早衰和卵巢多囊症的發病機理研究提供重要的理論參考;也為動物高效繁殖技術的應用奠定基礎。」 哺乳動物出生時,卵巢內已經有未成熟的卵母細胞存在。
  • 卵子體外「催熟」,女性不孕症新希望?
    此時生殖嵴內的生殖細胞稱為卵原細胞,對誘導卵巢發育至關重要。妊娠第8周卵原細胞開始進入第1次減數分裂前期,成為初級卵母細胞。每個初級卵母細胞與單層來自生發上皮或卵巢網的梭形顆粒細胞和單層基膜組成始基卵泡。
  • 日本團隊:僅激活8個基因,小鼠幹細胞直接轉為可受精細胞
    卵母細胞儲存在體內,在經歷多個階段發育成卵子後,即意味著已經做好受精的準備,這通常被認為創造新生命的第一步。因此,研究團隊認為,對卵母細胞及其發育的基本了解對推進生殖醫學和更好地掌握生命如何繁殖都很重要,但參與調控卵母細胞發育這一過程的基因的調控網絡目前尚不清楚。
  • 日本團隊:僅激活8個基因,小鼠幹細胞直接轉為可受精細胞
    研究團隊稱,這些發現進一步加深了我們對卵子發育的理解,還可能對生殖醫學產生影響。卵母細胞儲存在體內,在經歷多個階段發育成卵子後,即意味著已經做好受精的準備,這通常被認為創造新生命的第一步。毫無疑問,卵母細胞是非常獨特的,它們有能力產生出創造一個個體所需的200多種高度分化的細胞。科學家們提到,卵母細胞和它們的細胞質均是不同尋常的。