《Nature》发文阐述人类围着床期胚胎发育分子调控规律
2019年8月22日，北京大学第三医院乔杰课题组和汤富酬课题组合作，在国际权威学术期刊《自然》（Nature，IF：43.07）在线发表研究成果“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”（“利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构人类胚胎着床过程”）。
该研究应用体外模拟人类胚胎着床培养体系，经过与高精度单细胞多组学测序技术相结合，首次阐述了人类胚胎着床过程（受精后第5天到14天）基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化规律，解析了围着床期胚胎发育的分子调控机制。
人类胚胎发育起始于精卵结合，受精卵通过多次卵裂发育为由内细胞团和滋养层细胞组成的囊胚。人类囊胚着床一般发生在受精后的第5~7天，胚胎与子宫内膜黏附并逐渐侵入，才能继续发育形成胎儿。
自然妊娠情况下，20%以上的概率会发生停育或流产。已造福数百万不孕患者的辅助生殖技术，成功率一直徘徊在40%左右，即使经过胚胎植入前遗传学检测，选择染色体正常的胚胎进行移植，仍然会有一半左右的胚胎着床失败或早期流产。
发生上述问题最重要的原因，就是早期胚胎的发育异常。既往对着床的过程研究通常是使用小鼠等模式生物进行。根据国际公认的“14天原则”，对人类胚胎的研究允许到受精后14天，但由于技术的限制，很难获得早期着床后（7-14天）的人类胚胎，人类围着床期胚胎发育的过程仍然是一个“黑匣子”，有待揭开其中的奥秘。
合作团队长期聚焦于人类胚胎早期发育分子调控机制，先后建立了人类植入前胚胎和胎儿不同器官发育的基因表达或表观遗传图谱，在Cell、Nature等国际知名期刊发表了系列研究成果。
在既往研究基础上，本研究借助人类胚胎体外长时培养技术，模拟了人类胚胎的着床和早期着床后发育过程，系统解析了这一关键阶段调控胚胎细胞谱系分化的基因表达和表观遗传特征。
该项研究的主要发现有：
1.人类胚胎在囊胚后期逐渐具备体外自我重构与着床的能力
围着床期胚胎包括三类主要细胞谱系（上胚层、原始内胚层、滋养外胚层），各个谱系均逐渐呈现出各自独特的基因表达特征，如上胚层呈现出明确的多能性转变，原始内胚层则逐渐开始表达卵黄囊发育相关基因；而与着床相关的滋养外胚层细胞则特化成为合体滋养层和细胞滋养层两类亚群，前者逐渐表达与妊娠建立相关基因（如CGB家族基因）。
研究还发现了新的合体滋养层细胞标志基因，如TCL6和TBX3。新的谱系标记基因有助于早期胚胎中的谱系鉴定，推动干/祖细胞衍生研究。
图2 人类围着床期胚胎的转录图谱与分子特征
2.围着床期胚胎中X染色体失活与上调两种机制并存，调控X染色体上基因表达剂量
X染色体剂量平衡一直是发育生物学关注的焦点之一，X染色体失活（XCI）对于女性（有两条X染色体）与男性（仅有一条X染色体）之间X染色体上基因的表达剂量平衡具有重要意义。
本研究发现雌性胚胎逐渐呈现出父源或母源X染色体随机失活趋势（XCI），但发育到12天的雌雄胚胎，X染色体剂量尚未达到平衡；另一方面，X染色体基因的表达量应与常染色体剂量平衡，需要通过上调雌性或雄性中的X染色体（XCU）来实现。在晚期胚胎单细胞中活跃的X染色体，需要上调至两倍的表达剂量，达到和常染色体两个拷贝同样的表达剂量（X染色体/常染色体的表达剂量比从1：2上调到2：2）。该研究发现，着床阶段，雌性和雄性胚胎细胞中均已启动X染色体上调，但尚未达到上调两倍的状态。
3.围着床期胚胎中各谱系细胞具有特异性DNA甲基化特征
DNA甲基化调控关键基因的转录，对维持细胞命运与谱系分化具有重要作用。利用团队研发的单细胞多组学测序技术对三类主要细胞谱系的DNA甲基化进行深度分析，结果显示，三类主要细胞谱系在着床前，即囊胚发育阶段，具有相似的DNA甲基化模式；着床后，均发生了重新甲基化，迅速获得了各自独特的DNA甲基化特征。这一结果表明，胚胎在着床过程中经历了表观遗传重编程，DNA甲基化参与了细胞命运的决定。
此项工作对于认识人类早期胚胎发育及着床机制、探索着床失败的原因具有重要价值，为临床上早期流产、胎儿畸形等疑难病例的诊治提供了新的理论依据。虽然，人类体内和体外胚胎发育的具体差异有待进一步研究，但本研究为优化体外着床体系，为多能干细胞的分化与胚胎发育相关研究提供了重要依据。
北京大学博士后周帆，博士生汪睿、袁鹏、任一昕、毛雨诺为该论文的并列第一作者，汤富酬教授和乔杰院士为论文的共同通讯作者。该项研究得到了北京市科学技术委员会、国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。2019年8月22日，北京大学第三医院乔杰课题组和汤富酬课题组合作，在国际权威学术期刊《自然》（Nature，IF：43.07）在线发表研究成果“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”（“利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构人类胚胎着床过程”）。
该研究应用体外模拟人类胚胎着床培养体系，经过与高精度单细胞多组学测序技术相结合，首次阐述了人类胚胎着床过程（受精后第5天到14天）基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化规律，解析了围着床期胚胎发育的分子调控机制。
人类胚胎发育起始于精卵结合，受精卵通过多次卵裂发育为由内细胞团和滋养层细胞组成的囊胚。人类囊胚着床一般发生在受精后的第5~7天，胚胎与子宫内膜黏附并逐渐侵入，才能继续发育形成胎儿。
自然妊娠情况下，20%以上的概率会发生停育或流产。已造福数百万不孕患者的辅助生殖技术，成功率一直徘徊在40%左右，即使经过胚胎植入前遗传学检测，选择染色体正常的胚胎进行移植，仍然会有一半左右的胚胎着床失败或早期流产。
发生上述问题最重要的原因，就是早期胚胎的发育异常。既往对着床的过程研究通常是使用小鼠等模式生物进行。根据国际公认的“14天原则”，对人类胚胎的研究允许到受精后14天，但由于技术的限制，很难获得早期着床后（7-14天）的人类胚胎，人类围着床期胚胎发育的过程仍然是一个“黑匣子”，有待揭开其中的奥秘。
合作团队长期聚焦于人类胚胎早期发育分子调控机制，先后建立了人类植入前胚胎和胎儿不同器官发育的基因表达或表观遗传图谱，在Cell、Nature等国际知名期刊发表了系列研究成果。
在既往研究基础上，本研究借助人类胚胎体外长时培养技术，模拟了人类胚胎的着床和早期着床后发育过程，系统解析了这一关键阶段调控胚胎细胞谱系分化的基因表达和表观遗传特征。
该项研究的主要发现有：
1.人类胚胎在囊胚后期逐渐具备体外自我重构与着床的能力
围着床期胚胎包括三类主要细胞谱系（上胚层、原始内胚层、滋养外胚层），各个谱系均逐渐呈现出各自独特的基因表达特征，如上胚层呈现出明确的多能性转变，原始内胚层则逐渐开始表达卵黄囊发育相关基因；而与着床相关的滋养外胚层细胞则特化成为合体滋养层和细胞滋养层两类亚群，前者逐渐表达与妊娠建立相关基因（如CGB家族基因）。
研究还发现了新的合体滋养层细胞标志基因，如TCL6和TBX3。新的谱系标记基因有助于早期胚胎中的谱系鉴定，推动干/祖细胞衍生研究。
2.围着床期胚胎中X染色体失活与上调两种机制并存，调控X染色体上基因表达剂量
X染色体剂量平衡一直是发育生物学关注的焦点之一，X染色体失活（XCI）对于女性（有两条X染色体）与男性（仅有一条X染色体）之间X染色体上基因的表达剂量平衡具有重要意义。
本研究发现雌性胚胎逐渐呈现出父源或母源X染色体随机失活趋势（XCI），但发育到12天的雌雄胚胎，X染色体剂量尚未达到平衡；另一方面，X染色体基因的表达量应与常染色体剂量平衡，需要通过上调雌性或雄性中的X染色体（XCU）来实现。在晚期胚胎单细胞中活跃的X染色体，需要上调至两倍的表达剂量，达到和常染色体两个拷贝同样的表达剂量（X染色体/常染色体的表达剂量比从1：2上调到2：2）。该研究发现，着床阶段，雌性和雄性胚胎细胞中均已启动X染色体上调，但尚未达到上调两倍的状态。
3.围着床期胚胎中各谱系细胞具有特异性DNA甲基化特征
DNA甲基化调控关键基因的转录，对维持细胞命运与谱系分化具有重要作用。利用团队研发的单细胞多组学测序技术对三类主要细胞谱系的DNA甲基化进行深度分析，结果显示，三类主要细胞谱系在着床前，即囊胚发育阶段，具有相似的DNA甲基化模式；着床后，均发生了重新甲基化，迅速获得了各自独特的DNA甲基化特征。这一结果表明，胚胎在着床过程中经历了表观遗传重编程，DNA甲基化参与了细胞命运的决定。
此项工作对于认识人类早期胚胎发育及着床机制、探索着床失败的原因具有重要价值，为临床上早期流产、胎儿畸形等疑难病例的诊治提供了新的理论依据。虽然，人类体内和体外胚胎发育的具体差异有待进一步研究，但本研究为优化体外着床体系，为多能干细胞的分化与胚胎发育相关研究提供了重要依据。
北京大学博士后周帆，博士生汪睿、袁鹏、任一昕、毛雨诺为该论文的并列第一作者，汤富酬教授和乔杰院士为论文的共同通讯作者。该项研究得到了北京市科学技术委员会、国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
-
科技前沿
-
项目成果
-
项目成果
