氧浓度改变对牛胚胎植入前能量代谢的影响及其发育意义

《Scientific Reports》：Oxygen level alters energy metabolism in bovine preimplantation embryos

为解决体外培养(IVC)中氧浓度(O2)对胚胎发育的影响问题，Karolinska Institutet团队通过比较20%(normoxia)、6%(hypoxia)和2%(ultrahypoxia) O2条件下牛胚胎的转录组和代谢特征，发现hypoxia显著提高囊胚形成率(36% vs 13%)并激活糖酵解通路，而normoxia延缓母源转录本降解并抑制HIF-1信号通路。该研究为优化人类辅助生殖技术(ART)培养体系提供重要依据。

　　

哺乳动物胚胎在植入前的发育过程对环境因素极为敏感，其中氧浓度是影响胚胎命运的关键参数之一。尽管女性生殖道内的生理氧浓度仅为2%-8%，全球仍有约30%-49%的试管婴儿实验室使用大气氧浓度(20%)进行胚胎培养。这种非生理条件是否会影响胚胎基因组激活(EGA)和能量代谢？为解决这一关键问题，Karolinska Institutet的Nina Boskovic团队以牛胚胎为模型，开展了一项揭示氧浓度调控发育机制的创新研究。

研究采用5'端靶向RNA测序技术(STRT-N)，通过对比20%(normoxia)、6%(hypoxia)和序贯6%→2%(ultrahypoxia)三种培养条件，系统分析了从受精卵到囊胚各阶段的转录组动态变化。实验设计包含三个独立重复，每个发育阶段采集3个胚胎样本，利用ERCC Spike-in进行标准化处理，结合Seurat和DESeq2等生物信息学工具解析差异表达基因(DEG)。关键发现显示：hypoxia组的囊胚形成率显著高于normoxia组(36% vs 13%)，而ultrahypoxia组最低仅4.6%。转录组分析揭示normoxia延缓母源mRNA降解，在16细胞阶段比hypoxia少下调1149个基因，且关键通路如HIF-1、Hippo和p53信号通路表达异常。

在能量代谢方面，hypoxia和ultrahypoxia囊胚均显著上调糖酵解、TCA循环和脂代谢相关基因，而normoxia组仅依赖氧化磷酸化。特别值得注意的是，ultrahypoxia虽然囊胚率最低，但存活囊胚的代谢谱与hypoxia相似，提示2% O₂可能筛选出最强活力的胚胎。这些发现发表于《Scientific Reports》，为优化人类辅助生殖技术培养体系提供了分子层面的理论依据。

研究首先证实氧浓度不影响卵裂率(三组均>78%)，但显著改变囊胚形成效率。通过UMAP聚类分析发现，8细胞期normoxia与hypoxia胚胎已出现明显转录组分离。深入分析EGA过程发现，normoxia在16细胞阶段未能有效降解母源转录本，且下调HIF-1通路可能影响后续血管生成。代谢重编程分析显示，hypoxia/ultrahypoxia囊胚激活糖酵解和氨基酸合成通路，模拟体内胚胎的能量特征，而normoxia则呈现代谢缺陷。

讨论部分强调，该研究首次在牛模型中系统比较三种氧浓度下的转录组动态，揭示normoxia通过延缓母源转录本清除和代谢异常导致发育潜能下降。虽然ultrahypoxia囊胚率最低，但其代谢正常性提示序贯培养可能具有胚胎选择价值。鉴于牛与人类胚胎发育的高度相似性，这些发现为临床IVF实验室从大气氧转向生理氧培养提供了强有力证据，同时警示盲目采用2%超低氧可能降低成功率。未来研究需结合表观遗传和多组学分析，进一步阐明氧浓度影响发育的分子机制。