2025年1月24日，中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心/上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心劉真、孫怡迪、朱文成，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心木良善，以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李辰合作在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Cell》在線發(fā)表了題為《Comparative proteomic landscapes elucidate human preimplantation development and failure》的研究論文。在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了此前開(kāi)發(fā)的超靈敏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)體系，并通過(guò)低投入的樣本描繪了人類(lèi)和小鼠著床前胚胎的深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜。團(tuán)隊(duì)結(jié)合跨物種比較和多組學(xué)整合分析，系統(tǒng)性地解讀了哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的過(guò)程，并圍繞臨床上常見(jiàn)的低質(zhì)量胚胎的形成進(jìn)行了單胚胎蛋白質(zhì)組分析。該研究為理解哺乳動(dòng)物著床前胚胎發(fā)育提供了跨物種的新資源，為通過(guò)多組學(xué)解析早期胚胎發(fā)育機(jī)制提供了新思路，也為研究人類(lèi)著床前胚胎發(fā)育失敗建立了新范式。

哺乳動(dòng)物著床前胚胎發(fā)育包含受精、合子基因組激活（ZGA）、滋養(yǎng)層細(xì)胞和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的分化（第一次譜系分化）等關(guān)鍵生物學(xué)事件。近年來(lái)，隨著單細(xì)胞/微量核酸測(cè)序組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們?cè)谠缙谂咛マD(zhuǎn)錄組、表觀組和翻譯組的解析方面取得了重要進(jìn)展，極大地推動(dòng)了對(duì)哺乳動(dòng)物著床前胚胎發(fā)育的理解。已有研究顯示早期胚胎發(fā)育階段，轉(zhuǎn)錄和翻譯之間存在大量的解偶聯(lián)調(diào)控。蛋白質(zhì)是細(xì)胞發(fā)揮功能的主要分子機(jī)器，因此全面深入的蛋白質(zhì)組研究對(duì)于理解早期胚胎發(fā)育具有重要意義。然而，由于蛋白質(zhì)不具有核酸的可擴(kuò)增特性，先前的胚胎蛋白質(zhì)組學(xué)研究通常需要大量胚胎樣本，或者蛋白質(zhì)的鑒定深度較為有限。目前，只有少數(shù)研究從蛋白質(zhì)組層面解讀了早期胚胎的發(fā)育。

研究團(tuán)隊(duì)首先改進(jìn)了前期開(kāi)發(fā)的CS-UPT超敏蛋白質(zhì)組技術(shù)體系，通過(guò)優(yōu)化裂解液體系、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程、擴(kuò)展譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)等，成功地在單枚人類(lèi)卵細(xì)胞中鑒定出超過(guò)4500種蛋白質(zhì)。隨后，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該技術(shù)繪制了人類(lèi)和小鼠卵細(xì)胞及著床前胚胎發(fā)育過(guò)程中的深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜。在人類(lèi)研究中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)僅使用5枚卵細(xì)胞或胚胎，在不同發(fā)育階段共鑒定近8000種蛋白質(zhì)；而在小鼠研究中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)僅使用20枚卵細(xì)胞或胚胎，共鑒定超過(guò)6300種蛋白質(zhì)（見(jiàn)圖1）。

圖1. 首幅著床前胚胎發(fā)育的跨物種深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜。

通過(guò)跨物種比較，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人類(lèi)和小鼠的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)差異主要集中在合子基因組激活前后（pre-ZGA和ZGA）。這一發(fā)現(xiàn)為理解物種間合子基因組差異性調(diào)控提供了蛋白質(zhì)組層面的基礎(chǔ)。與清華大學(xué)頡偉團(tuán)隊(duì)及合作者繪制的翻譯組圖譜聯(lián)合分析后，研究表明，相較于翻譯激活動(dòng)態(tài)，蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化可分為三種類(lèi)型：同步、延遲和穩(wěn)定。研究人員在小鼠母源-合子轉(zhuǎn)換（MZT）早期進(jìn)行了翻譯抑制和蛋白降解抑制實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了觀察到的胚胎蛋白質(zhì)組動(dòng)態(tài)。

ZGA是早期胚胎發(fā)育一個(gè)關(guān)鍵事件，在此時(shí)期胚胎基因組首次出現(xiàn)大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄，然而這些新的轉(zhuǎn)錄本的具體功能卻并不清晰。在進(jìn)一步整合早期胚胎轉(zhuǎn)錄組和翻譯組信息后，研究人員對(duì) ZGA 轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行了分類(lèi)，并定義了兩種主要類(lèi)型：增加型ZGA（increasing ZGA, I-ZGA）和瞬時(shí)型ZGA（transient ZGA, T-ZGA）。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)許多 T-ZGA 轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會(huì)在轉(zhuǎn)錄和翻譯激活后持續(xù)積累，并在第一次譜系分化時(shí)期達(dá)到最高豐度。這類(lèi)蛋白質(zhì)被命名為“ZGA-burst protein”，其積累模式暗示它們可能在第一次譜系分化的調(diào)控中起到重要作用。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員選擇了數(shù)個(gè)符合這一動(dòng)態(tài)規(guī)律的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在小鼠的一細(xì)胞階段進(jìn)行了基因敲除實(shí)驗(yàn)，并鑒定出多個(gè)新穎因子參與著床前胚胎的發(fā)育。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，這些 ZGA 基因的缺失未影響 ZGA 階段的基因表達(dá)，但卻顯著阻礙了發(fā)育后期囊胚的形成，提供了關(guān)于 ZGA 如何調(diào)控第一次譜系分化的新證據(jù)。

隨后，研究人員進(jìn)一步選擇了人類(lèi)著床前低質(zhì)量（poor quality, PQ）胚胎形成這一常見(jiàn)臨床事件來(lái)驗(yàn)證發(fā)育蛋白質(zhì)圖譜的應(yīng)用價(jià)值。在臨床實(shí)踐中，PQ 胚胎的形成在同一患者之間存在異質(zhì)性。為此，研究人員招募了超過(guò) 100 對(duì)輔助生殖患者，并對(duì)其產(chǎn)生的 140 余枚臨床上常規(guī)丟棄的 PQ 胚胎進(jìn)行了單胚胎蛋白質(zhì)組分析。在單胚胎水平，平均可鑒定出約 4800 種蛋白質(zhì)。分析結(jié)果表明，不同捐贈(zèng)者來(lái)源的優(yōu)質(zhì)（good quality, GQ）胚胎在蛋白質(zhì)組層面表現(xiàn)出高度相似性；而即便是來(lái)自同一捐贈(zèng)者的 PQ 胚胎，也可能被分為不同的亞型。除了母源蛋白質(zhì)降解和新合成蛋白質(zhì)增加方面的失調(diào)，這些 PQ 胚胎普遍表現(xiàn)出穩(wěn)定蛋白質(zhì)的失調(diào)。此外，研究還揭示了一些可能導(dǎo)致 PQ 胚胎形成的候選蛋白質(zhì)。

圖2. 研究的主要內(nèi)容。

總之，該研究在技術(shù)改進(jìn)、資源挖掘、發(fā)現(xiàn)探索和臨床應(yīng)用等方面進(jìn)行了整合，為理解人類(lèi)和小鼠的著床前胚胎發(fā)育，以及人類(lèi)著床前發(fā)育失敗提供了新的視角、資源和思路。

中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心劉真研究員、孫怡迪研究員、朱文成博士，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心木良善醫(yī)生，以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李辰研究員為該論文的通訊作者。中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心朱文成博士、研究生孟娟和劉文俊，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心李燕，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究助理顧蕾為共同第一作者。該工作還得到了其他團(tuán)隊(duì)成員的大力幫助。中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心實(shí)驗(yàn)動(dòng)物平臺(tái)、光學(xué)成像平臺(tái)和分子細(xì)胞技術(shù)平臺(tái)對(duì)該研究提供了技術(shù)支持，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心提供了該研究中的人類(lèi)卵細(xì)胞和早期胚胎樣本。該研究獲得了中國(guó)科學(xué)院、科技部、基金委、上海市和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)等的資助。