颉伟组分析卵子向胚胎转换过程中转录组、翻译组、蛋白质组关系
生命起始于卵子和精子的结合，终末分化的配子在受精后重编程为具有全能性的胚胎。然而，卵子发育晚期至合子基因组激活之前，基因组一直处于转录沉默状态。在此阶段发生的诸如卵子减数分裂、母源RNA去除和合子基因组转录激活等重要生物学事件都高度依赖于转录后调控。颉伟实验室前期研究表明，人和小鼠卵母细胞向胚胎转换中均存在大量的翻译调控事件，并且翻译组在合子基因组激活后才与转录组呈现高偶联性（ Xiong et al., Nature Cell Biology, 2022； Zou et al., Science, 2022）。然而在此过程中，基因功能的直接执行者蛋白质与转录组和翻译组是如何关联的仍不清楚。
2023年7月13日，清华大学生命学院颉伟研究组在Genome Biology期刊报道了题为Stable maternal proteins underlie distinct transcriptome, translatome, and proteome reprogramming during mouse oocyte-to-embryo transition（稳定的母源蛋白决定小鼠卵子—胚胎转换过程中转录组、翻译组和蛋白质组不同的重编程模式）的研究论文。该研究系统地进行了卵子向胚胎转换（oocyte-to-embryo transition，OET）过程中转录组、翻译组与蛋白组多组学整合分析，发现卵母细胞中积累的母源蛋白在小鼠卵母细胞成熟和早期胚胎发育过程中占主导地位，超过半数的母源蛋白可以稳定存在至囊胚期。与之对应的转录和翻译水平则在卵子发育晚期和合子基因组激活时期呈现剧烈变化。这一研究为卵母细胞向胚胎转换过程中提供了基因表达调控的多组学数据，并提示在转录后调控广泛存在的早期胚胎发育阶段，不能简单地依赖转录和翻译来评估蛋白水平的动态变化。
在这一工作中，研究人员采用非标记的高定量性蛋白质谱方法（label free LC-MS/MS），系统性的绘制了小鼠卵子和早期胚胎发育的不同时期的全蛋白质组图谱。结合颉伟课题组之前发表的相应时期的翻译组数据 (Xiong et al., Nature Cell Biology, 2022)，该研究揭示在小鼠卵母细胞向胚胎转换时期，转录组、翻译组与蛋白质组具有不同步的动态变化模式。转录组与翻译组“剧烈波动”，而蛋白质组相对稳定。从完全生长成熟的初级卵母细胞到8细胞胚胎阶段，蛋白质整体上变化缓慢。例如，尽管在1细胞胚胎及其后续发育阶段，转录和翻译水平被抑制，检测到的103个卵子起源的蛋白有58.3％在囊胚中仍然存在。另外，父母源特异性蛋白组分析也同样揭示了这种现象。这一结果表明母源蛋白的降解在早期胚胎中较为缓慢。
进一步，研究人员系统地探究哪些特征影响蛋白组与转录组和翻译组的相关性，并发现卵子中原始蛋白量与蛋白半衰期长度均与蛋白组与转录组和翻译组的相关性关联。卵子中起始蛋白水平越高，后期蛋白组与翻译组/转录组相关性越低 。另外，蛋白半衰期（利用已发表体细胞数据做参考）和蛋白组与翻译组/转录组的相关性也呈现负相关。蛋白半衰期越长，其相关性也会越低 。基于以上规律，研究人员建立了蛋白质动力学模型，利用卵母细胞中的起始蛋白质丰度和翻译水平能较好的预测特定发育时间点的蛋白丰度。
综上所述，本研究深入探讨了在小鼠卵子向胚胎转化过程中转录组、翻译组与蛋白质组三重维度的基因表达调控模式，发现稳定存在的母源蛋白决定了在此发育阶段蛋白质组与转录组和翻译组的变化趋势的低偶联性。
颉伟教授为本文的通讯作者，清华大学生命科学联合中心博士后张红梅和嵇姝妍，2016级博士研究生张珂为本文共同第一作者。该课题得到了清华大学蛋白质化学与组学平台邓海腾教授和陈宇凌博士在质谱检测方面的大力帮助。武汉大学数学与统计学院金锁钦教授和博士研究生汪顺同学在动力学模型构建提供了重要帮助。
原文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02997-8
