前沿研究丨SARS-CoV-2 侵入因子：ACE2和TMPRSS2在圍著床期胚胎和母胎界面存在表達

本文選自中國工程院院刊《Engineering》網絡首發文章

作者：陳偉, 袁鵬, 楊銘, 嚴智強, 孔思明, 嚴傑, 柳溪溪, 陳依東, 喬傑, 閆麗盈

來源：SARS-CoV-2 Entry Factors: ACE2andTMPRSS2Are Expressed in Peri-Implantation Embryos and the Maternal–Fetal Interface. Engineering. 2020.

https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.013

導語

COVID-19大流行對全球公共衛生安全構成巨大挑戰，考慮到嚴重急性呼吸系統症候群冠狀病毒2（SARS-CoV-2）感染相關的妊娠併發症以及其對子宮內胎兒發育的潛在不良影響，罹患COVID-19的孕婦患者受到特別關注。SARS-CoV-2能否感染胚胎或胎盤，幹擾妊娠的建立或維持，以及宮內垂直傳播是否存在均亟待解答。

近日，北京大學喬傑院士課題組對人植入前後胚胎、妊娠早期胎盤的單細胞轉錄組數據進行了系統分析，描述了圍著床期胚胎和母胎界面上血管緊張素轉化酶2 （ACE2）和跨膜絲氨酸蛋白酶2 （TMPRSS2）的轉錄表達情況，闡釋了妊娠早期SARS-CoV-2存在母胎間宮內垂直傳播的可能性以及相關分子基礎。

研究指出，ACE2和TMPRSS2在圍著床期第6天胚胎的滋養外胚層細胞（D6_TE）、妊娠第8周的胎盤絨毛外部的合胞滋養層細胞（STB_8W）以及妊娠第24周的蛻膜中的絨毛外滋養層細胞（EVT_24W）中均存在明顯的共表達現象, 表明了這些細胞類群可能易受SARS-CoV-2侵染。與上述三個細胞類群中的陰性細胞相比，相應的ACE2陽性表達細胞亞群均在自噬和免疫相關生物學過程中表現出差異。而且ACE2 的表達水平在圍著床期第6天胚胎滋養外胚層細胞（D6_TE）、原始內胚層細胞（D6_PE）以及ACE2陽性表達的STB細胞中均表現出一定的性別差異（p<0.05），提示在妊娠早期SARS-CoV-2的侵襲可能存在性別偏倚。本研究提示了在輔助生殖助孕胚胎移植過程、圍著床期以及妊娠早期胚胎面臨著潛在的SARS-CoV-2感染風險，在診療中應當對正在備孕或處於妊娠早期的患者給予一定的重視。

相關研究成果近期發表於中國工程院院刊《Engineering》。

—研究方法—

本研究下載了已發表的植入前人胚胎、圍著床期人胚胎、蛻膜與絨毛細胞的單細胞轉錄組數據。通過生物信息學分析描繪不同發育階段以及不同細胞亞群中ACE2和TMPRSS2基因表達圖譜，在此基礎上對具有不同ACE2表達水平的細胞類群間進行差異表達基因（DEGs）和生物學通路富集分析（GO和KEGG）。

—研究結果—

1. 圍著床期胚胎SARS-CoV-2感染的潛在風險

ACE2在圍著床期胚胎各譜系細胞中均存在表達（圖1），而且和其他譜系以及發育階段的細胞類群相比，D6_TE細胞中ACE2陽性表達細胞佔比，TMPRSS2陽性表達細胞佔比和ACE2/TMPRSS2共表達細胞佔比均最高，這表明受精後第6天的囊胚對SARS-CoV-2易感性可能相對較高。同時鑑於其他發育階段的胚胎仍然存在ACE2表達，因此這些階段胚胎細胞同樣存在感染的可能性。

圖1 胚胎植入前及圍著床期ACE2和TMPRSS2的表達模式

（a）和（b）分別是ACE2 在植入前和圍著床期胚胎各個階段的表達水平；

（c）和（d）分別是TMPRSS2在植入前和圍著床期胚胎各個階段的表達水平；

（e）和（f）分別是ACE2和TMPRSS2在圍著床期胚胎各發育階段中陽性表達和陰性表達細胞比例；

（g）圍著床期胚胎不同發育階段中具有不同ACE2和TMPRSS2表達模式的細胞比例（Double_pos:ACE2和TMPRSS2均為陽性表達的細胞; Only_ACE2_pos:ACE2陽性表達但不表達TMPRSS2的細胞; Only_TMPRSS2_pos:TMPRSS2陽性表達但不表達ACE2的細胞; Double_neg:TMPRSS2和ACE2均為陰性表達的細胞）；

（h）圍著床期D6胚胎中ACE2和TMPRSS2表達的相關性；R表示Spearman相關係數；

（i）D6圍著床期胚胎中ACE2和TMPRSS2陽性表達細胞的數目

2. 妊娠早期母胎界面發生SARS-CoV-2感染的潛在風險

母胎界面上CTB、STB、EVT和dP細胞類群具有較高的ACE2陽性表達細胞的佔比，並且STB_8W和EVT_24W中存在較大比例的共表達ACE2和TMPRSS2的亞群（圖2）。此前已報導了新冠患者的血液樣本中存在一定比例的SARS-CoV-2陽性，而由於妊娠過程中STB被母體血液所浸潤，EVTs則存在於蛻膜以及子宮螺旋動脈管壁處，因此血液中以及子宮內存在的病毒很可能會侵入這兩類細胞。此外，雖然ACE2陽性表達細胞的佔比在EVT_24W中要遠高於EVT_8W，但妊娠不同階段的垂直傳播風險是否具有差異仍有待評估。

圖2 ACE2和TMPRSS2在早期母胎界面的表達模式。（a）和（b）ACE2在不同蛻膜和絨毛細胞類群中陽性表達的比例；（c）在不同絨毛細胞類群中，ACE2和TMPRSS2表達水平存在差異的各細胞亞群的比例；（d）在不同的蛻膜細胞類群中，ACE2和TMPRSS2表達水平存在差異的各細胞亞群的比例

3. 不同細胞類群中ACE2陽性表達細胞的共同特徵

對三類具「SARS-CoV-2的高感染風險」的細胞類群：D6雌胚的TE、EVT_24W和STB_8W的進一步分析顯示，三個細胞類群中ACE2陽性表達和ACE2陰性表達細胞之間的差異基因均在自噬，溶酶體和病毒的細胞應答相關的生物學過程在中表現出明顯富集（圖3），這反映了各滋養外胚層譜系ACE2陽性表達細胞亞群在生物學狀態上存在一定程度的相似性。

圖3 D6 雌胚的TE細胞、EVT_24W和STB_8W細胞中ACE2陽性表達和陰性表達細胞亞群間的差異基因和富集的生物學過程/通路。（a）細胞類型特異性或細胞間共有的GO富集條目的數量；（b）各組DEGs共有的GO富集條目；（c）各組DEGs共有的KEGG富集通路；（d）在3個細胞類群中共有的表達水平上調的DEG數量

4. 植入前後胚胎和絨毛細胞類群中ACE2表達的性別差異

曾有報導稱ACE2作為逃逸基因在表達上會存在性別差異。本研究發現ACE2的表達水平在D6雌胚的TE細胞中要顯著高於同一階段的雄胚，而隨後的發育階段並無顯著差異。並且其在ACE2陽性表達STB和CTB亞群中也具有顯著的性別差異（p<0.05）（圖4）。這一發現暗示了在圍著床期胚胎和妊娠期發生SARS-CoV-2垂直傳播可能存在性別差異，並且還提示了ACE2可能無法逃逸植入後胚胎發育後期的X染色體失活（XCI），增進了我們對胚胎發育過程中XCI的了解。

圖4 不同性別的圍著床期胚胎和絨毛細胞類群中ACE2表達水平。（a）各細胞類群中ACE2的表達情況（TPM）；（b）各細胞類群中TMPRSS2的表達情況（TPM）；（c）絨毛細胞ACE2陽性表達細胞亞群中ACE2的表達情況（droplet scRNA-seq數據）；（d）絨毛細胞TMPRSS2陽性表達細胞亞群中TMPRSS2表達情況（droplet scRNA-seq數據）。p值由Wilcoxon秩和法計算

—結語—

雖然尚無直接證據證明SARS-CoV-2存在宮內垂直傳播，但已有研究報導新生兒的SARS-CoV-2 IgM抗體檢測陽性，以及個別新冠患者妊娠末期胎盤存在病理性改變。本研究首次在單細胞轉錄組水平上展示了ACE2在植入前後胚胎和母胎界面細胞類群中的表達模式，指出了ACE2和TMPRSS2表達雙陽性的細胞的存在，提示了在圍著床期和妊娠期存在SARS-CoV-2垂直傳播的潛在風險。本研究為疫情期間生殖中心胚胎移植以及孕婦的臨床診療確定提供一定的理論依據，建議針對懷孕初期感染SARS-CoV-2的患者，應加強對母嬰的健康監測。但垂直傳播的直接證據仍需臨床病例進一步積累和相關基礎研究的確認。

撰稿丨楊 銘，陳 偉，袁 鵬

審核丨喬 傑

編校丨朱 琳

註：本文內容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Wei Chen, Peng Yuan, Ming Yang, Zhiqiang Yan, Siming Kong, Jie Yan, Xixi Liu, Yidong Chen, Jie Qiao, Liying Yan. SARS-CoV-2 Entry Factors: ACE2andTMPRSS2Are Expressed in Peri-Implantation Embryos and the Maternal–Fetal Interface [J]. Engineering, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.01

作者介紹

喬傑，女，生殖醫學專家，中國工程院院士、美國藝術與科學院外籍院士。

一直從事婦產科及生殖健康相關的臨床與基礎研究工作，從遺傳學、表觀遺傳學角度對人類早期胚胎發育機制進行了深入的研究，將基礎研究成果成功應用於臨床上胚胎植入前遺傳學診斷；揭示疑難不孕症發病機制，優化輔助生殖技術方法，提高疑難不孕患者治療成功率。

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註：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。