Sci Adv丨闫丽盈/乔杰团队揭示围着床期胚胎滋养外胚层细胞分化和着床关键机制​

胚胎在子宫内着床过程中，从透明带孵化出来的囊胚其外侧的滋养外胚层细胞直接接触子宫内膜，并逐渐向内侵入形成维持妊娠的胎盘组织。近年来越来越多的研究开始关注滋养层细胞分化发育与胚胎着床的关系。囊胚形成过程中，内细胞团逐渐移动到胚胎的一端，与内细胞团接触的滋养层细胞称为极滋养层，远离内细胞团的滋养层称为壁滋养层。

2013年乔杰团队和北京大学的汤富酬团队合作发表了人类着床前各时期胚胎的单细胞转录组测序结果，发现极滋养层和壁滋养层细胞在转录组上存在差别【1】。2016年卡罗林斯卡大学医院的Sophie Petropoulos团队对3-7天的人类胚胎进行了单细胞转录组测序，文章分析了这段时期胚胎细胞谱系分化和X染色体动态变化，并发现6-7天胚胎的滋养层细胞分化为两个亚群 【2】 。此后多篇文章从转录组学上对围着床期胚胎滋养层细胞的分化进行了研究。然而滋养层细胞分化与着床的关系仍然不明晰。

2022年8月10日，北京大学第三医院闫丽盈/乔杰团队在Science Advances上发表了题为 Primary specification of blastocyst trophectoderm by scRNA-seq: New insights into embryo implantation 的研究论文。该研究 收集了人和小鼠不同时期的着床前胚胎，通过激光辅助显微切割，标记细胞在胚胎中的位置信息，进行转录组测序分析，探索了胚胎发育过程中滋养层细胞的基因表达变化及与子宫内膜之间的分子互作机制，并且利用体外共培养附着失败的胚胎或体内着床失败的胚胎，从滋养层细胞分化障碍的层面揭示了胚胎着床失败的原因 （图1） 。

图1 人和小鼠着床前胚胎滋养层细胞分化研究示意图

该研究的主要发现：

1. 揭示胚胎外滋养层细胞分化的分子特征：人类以极滋养层细胞 （靠近内细胞团一侧，PTE） 植入子宫内膜，而小鼠则以壁滋养层细胞 （内细胞团的对侧，MTE） 植入子宫内膜。我们的结果显示人和小鼠的滋养层细胞都在胚胎孵化之后启动分化，极滋养层细胞比壁滋养层细胞更成熟；植入极滋养层细胞 （人类为极滋养层，小鼠为壁滋养层） 的细胞周期相对不活跃，高表达胎盘发育相关分子和细胞黏附分子，引导胚胎植入；而非植入极滋养层细胞 （人类为壁滋养层，小鼠为极滋养层） 的细胞周期和能量代谢相对更活跃，为胚胎着床过程提供能量供应。此外我们还发现传统的滋养层细胞标记分子HAND1在人壁滋养层细胞中富集表达，而与细胞融合相关的GCM1、OVOL1和ERVFRD-1 (Syncytin-2) 等分子在人极滋养层细胞中高表达 。

2. 解析滋养细胞分化与着床的关系：本研究利用胚胎-子宫内膜癌细胞共培养系统来模拟子宫内胚胎植入的过程，发现在人类极滋养层细胞或共培养的Ishikawa细胞 （coISK） 中，介导细胞间连接的DSC2-DSG2基因、黏附分子、与炎症反应相关的基因以及植入过程中早期血管生成相关的基因高度富集 。

揭示着床失败的潜在机制：为了探索胚胎着床失败的原因，本研究收集了临床上经遗传学检测为整倍体、但移植后着床失败的胚胎滋养层细胞和体外共培养附着失败的滋养层细胞，发现这些胚胎细胞在蛋白质代谢、m6A甲基化和能量产生的过程出现异常。随后对m6A相关基因Trmt112 （甲基转移酶Mettl5的激活剂） 进行了功能研究，发现当Trmt112的表达受到干扰时，胚胎体外附着率降低 。

本项研究通过对人与小鼠围着床期胚胎滋养层细胞的转录组数据进行了时空特异性分析，描述了人类和小鼠胚胎中不同滋养外胚层亚群的基因表达特征；利用胚胎体外共培养和体内胚胎移植的模型探讨了导致着床失败的病因，研究结果将促进对人类胚胎发育与着床机制的理解，为该领域研究提供了有价值的信息和未来方向，对着床反复失败患者的诊疗具有重要意义。

北京大学第三医院闫丽盈研究员和乔杰院士为该论文的通讯作者，刘丹丹博士、陈依东博士和任一昕博士为该论文的共同第一作者，研究进行过程得到了北京大学汤富酬教授、厦门大学王海滨教授的大力帮助。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj3725

制版人：十一

参考文献

1. L. Yan et al., Single-cell RNA-Seq profiling of human preimplantation embryos and embryonic stem cells. Nature structural & molecular biology 20, 1131-1139 (2013).

2. S. Petropoulos et al., Single-Cell RNA-Seq Reveals Lineage and X Chromosome Dynamics in Human Preimplantation Embryos. Cell 167, 285 (2016).

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