一、研究背景

 

胚胎着床前发育是新生命诞生的第一步，通过单细胞测序已经初步完成了对人类胚胎着床前发育的表观基因组和转录组图谱的绘制。受限于传统质谱分析方法的缺陷(预处理导致的蛋白损失以及无法对肽进行扩增)，导致其无法应用于单细胞蛋白组的测序。

为突破传统质谱分析法的限制，该团队通过超高灵敏度质谱技术和纳米级油气滴(OAD)芯片成功识别出了人类胚胎着床前发育过程中的单个细胞的上千种蛋白质。研究采集了58个单个卵母细胞或胚叶细胞样本合计7个阶段(图1A)用于蛋白组分析，其中人类成熟卵母细胞(5个样本)、受精卵(2个胚胎，5个样本)、2细胞(2个胚胎，4个样本)、4细胞(3个胚胎，13个样本)、8细胞(1个胚胎，9个样本)、桑葚胚(12个样本)、囊胚(10个样本)。

基于以上技术研究首次实现了对人类着床前胚胎的单细胞蛋白组的检测，成功绘制出着床前胚胎发育各阶段蛋白质动态表达图谱。

二、研究结果

1、人类胚胎着床前发育各阶段蛋白表达差异

 

 

 

研究成功识别出单个卵母细胞中存在3132种蛋白质(图1B)。随着胚胎的发育，细胞迅速分裂并变小，到达囊胚期时细胞编码蛋白质的数量随之减少到1141种。进一步统计了各阶段胚胎之间的差异表达蛋白质(DEPs)数量(差异倍数>2)(图1D)，基于模糊c均值算法将这些差异蛋白分为12个组，其中第1-7组为胚胎着床前发育各阶段的功能蛋白和标志蛋白(图1E)；第8-11组由上千种母系翻译蛋白组成(图1F,G)；第12组则为受精卵翻译蛋白(8细胞阶段后开始翻译)(图1F,H)，由305种蛋白质组成。通过免疫荧光验证了母系翻译蛋白和受精卵翻译蛋白的时空表达特异性。

2、各阶段蛋白从头翻译模式

研究进一步分析了初始状态基因(在某一阶段显示高mRNA水平但没有蛋白表达，在下一阶段显示从头翻译)，即通过在散点图显示mRNA水平(x轴)和蛋白水平(y轴)，筛选在每个阶段表达RNA (FPKM>1)的非表达蛋白(normalized value <-10)，将其定义为“初始状态基因”。整个发育过程中观察到初始状态基因有2次明显的上升(图1I)，分别是从受精卵到2细胞期和从8细胞期到桑葚期。前一波从头翻译被定义为由母体mRNA触发的“母体蛋白质组激活”(MPA)，可能是MZT的脉冲启动;第二波从头翻译被定义为“合子蛋白组激活”(ZPA)，由合子基因执行，以促进进一步的发育。

3、各阶段蛋白从头翻译模式

研究将最新的小鼠胚胎蛋白质组学数据与人类胚胎蛋白质组学数据进行了比较，跨物种比较了人类7期和小鼠6期的蛋白差异。跨种差异蛋白的相关系数值最高的是小鼠2细胞胚胎和人8细胞胚胎，共发现70个重叠蛋白在2细胞小鼠胚胎和8细胞人类胚胎中以相似的水平表达。它们在人和小鼠中都是保守蛋白，可以调节MZT过程、进一步的胚胎发育和器官形成(图1J)。

图1  人类着床前发育过程中动态蛋白表达图谱

 

三、结论

研究完成了在单细胞水平对人类着床前胚胎的蛋白质组检测，揭示了翻译活性是形成阶段性特异表达蛋白和母体-合子过渡(MZT)过程中蛋白组模式的主要原因。这项人类胚胎蛋白质组学研究促进了对人类着床前发育过程中功能蛋白网络的进一步了解和研究。

 

 

 

参考文献

Dang Y, Zhu L, Yuan P, Liu Q, Guo Q, Chen X, Gao S, Liu X, Ji S, Yuan Y, Lian Y, Li R, Yan L, Wong CCL, Qiao J. Functional profiling of stage-specific proteome and translational transition across human pre-implantation embryo development at a single-cell resolution. Cell Discov. 2023 Jan 24;9(1):10.