SHMT2在小鼠胚胎发育中的关键作用及机制研究

《Molecular Therapy Nucleic Acids》：SHMT2 is essential for mammalian preimplantation embryonic development through de novo biosynthesis of nucleotide metabolites

本研究揭示了SHMT2在小鼠早期胚胎发育中的重要作用，为辅助生殖技术的成功率提升提供了新思路。

　　

研究背景

辅助生殖技术（Assisted Reproductive Technology, ART）在治疗不孕不育方面被广泛应用，但其成功率受到多种因素的影响，其中胚胎发育异常是主要原因之一。在胚胎发育的早期阶段，细胞快速分裂伴随着DNA的大量复制，这一过程需要消耗大量的脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotides, dNTPs）。然而，目前对于代谢酶在胚胎发育中dNTP代谢调控机制的研究还相对较少。本研究聚焦于丝氨酸羟甲基转移酶2（Serine Hydroxymethyltransferase 2, SHMT2）及其在小鼠胚胎发育中的作用，揭示了SHMT2通过调控dNTP代谢影响胚胎发育的新机制。

SHMT2在胚胎发育中的动态变化

研究人员首先分析了SHMT2在小鼠胚胎发育过程中的动态表达情况。结果显示，小鼠卵母细胞中储存了大量的Shmt2 mRNA，而在受精后，其mRNA水平逐渐下降，直至4细胞阶段，随后在8细胞至囊胚阶段又有所上升。在蛋白质水平上，SHMT2在卵母细胞中的表达量较低，但在合子阶段达到最高，随后在2细胞至4细胞阶段逐渐下降，到8细胞阶段又有所回升。这种动态变化表明SHMT2在胚胎早期发育中可能扮演着重要角色。

SHMT2抑制导致胚胎发育阻滞

为了探究SHMT2在胚胎发育中的功能，研究人员利用SHMT2特异性抑制剂SHMT-IN-2处理小鼠合子。结果发现，经过SHMT-IN-2处理的胚胎有约50%在原核期就发生发育阻滞，无法正常发育到2细胞阶段，仅有25%的胚胎能够发育到囊胚阶段，这一比例显著低于对照组。进一步的实验表明，SHMT-IN-2处理并未影响SHMT2蛋白的水平，而是改变了其催化活性。此外，向培养基中添加dTTP并不能挽救由SHMT2抑制引起的发育阻滞，而添加dTMP则能部分恢复胚胎发育，这表明dTMP可能在胚胎发育中除了作为dTTP合成的前体外，还具有其他作用。

SHMT2抑制导致的发育阻滞机制

研究人员通过一系列实验揭示了SHMT2抑制导致胚胎发育阻滞的分子机制。在正常情况下，受精后雌雄原核会进行DNA复制，随后在第一次有丝分裂时，染色体从原核中释放并被纺锤体捕获。然而，在SHMT2被抑制的胚胎中，研究人员观察到在第一次有丝分裂的中期，染色体无法正常排列，纺锤体结构紊乱，染色体分离失败。这表明SHMT2抑制可能影响了DNA的正常复制。进一步的实验发现，SHMT2抑制的胚胎中γ-H2AX信号显著增加，表明存在严重的DNA损伤和复制应激。此外，研究人员还发现SHMT2抑制的胚胎中活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平显著升高，提示氧化应激可能是SHMT2抑制导致胚胎发育阻滞的另一个因素。

SHMT2抑制对dNTP水平的影响

为了进一步探究SHMT2抑制导致胚胎发育阻滞的原因，研究人员利用液相色谱-串联质谱（Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry, LC-MS/MS）技术检测了胚胎中dNTP的水平。结果显示，在正常胚胎中，从合子到2细胞阶段，dCTP、dTTP和dATP的水平略有下降，但总体保持稳定，这表明胚胎能够通过de novo合成来补充消耗的dNTP。然而，在SHMT2抑制的胚胎中，dTTP水平显著下降，而其他dNTP水平也受到一定影响。这表明SHMT2抑制干扰了dTMP的生物合成，进而导致dTTP供应不足，影响了DNA的正常复制，最终导致胚胎发育阻滞。

蛋白质组学分析揭示SHMT2抑制的全局影响

为了全面了解SHMT2抑制对胚胎发育的影响，研究人员还进行了蛋白质组学分析。结果显示，与对照组相比，SHMT-IN-2处理的胚胎中有66种差异表达蛋白（Differentially Expressed Proteins, DEPs），其中17种上调，49种下调。这些差异表达蛋白主要富集在代谢过程相关的生物通路中，包括碳水化合物代谢、脂质代谢、氨基酸代谢、能量代谢和糖胺聚糖生物合成等。这表明SHMT2抑制不仅影响了dNTP的代谢，还对胚胎的其他代谢过程产生了广泛的调控作用。

研究意义与未来方向

本研究揭示了SHMT2在小鼠胚胎发育中的重要作用，表明SHMT2通过调控dNTP的代谢影响胚胎的DNA复制和细胞周期进程。这一发现不仅丰富了我们对胚胎发育过程中代谢调控的认识，还为辅助生殖技术的成功率提升提供了新的理论依据。未来的研究可以进一步探索SHMT2在其他动物模型中的功能，以及研究叶酸代谢与胚胎发育之间的相互作用，为临床治疗代谢相关发育障碍提供新的策略。