人类胚胎植入前发育与滋养层干细胞分化的动态蛋白质组景观研究

这篇研究通过定量质谱技术系统描绘了人类卵母细胞(M2)、8细胞胚胎和囊胚(BLST)阶段的蛋白质表达图谱，以及滋养层干细胞(TS)向绒毛外滋养细胞(EVT)和合体滋养层(ST)分化的动态调控过程。研究发现156个与8细胞至囊胚发育相关的关键蛋白，其中54个在转录组水平呈现相似表达模式，揭示了代谢网络、线粒体功能和端粒维持等关键生物学过程。该研究为理解人类早期胚胎发育和滋养层功能提供了重要蛋白质组资源。

　　

摘要

这项开创性研究首次采用高灵敏度定量质谱技术，全面解析了人类植入前胚胎发育过程中从成熟卵母细胞(M2)、8细胞胚胎到囊胚(BLST)阶段的动态蛋白质组景观，并深入探究了源自囊胚滋养外胚层(TE)的滋养层干细胞(TS)向绒毛外滋养细胞(EVT)和合体滋养层(ST)分化过程中的蛋白质组重编程。研究鉴定出3974个高置信度蛋白质，揭示了不同发育阶段的特征性蛋白表达模式及其调控网络。

1 引言

人类胚胎发育始于成熟卵母细胞(M2期)受精形成合子，经过连续的卵裂(2细胞、4-8细胞和桑椹胚阶段)后分化为具备植入能力的囊胚。囊胚由内细胞团(ICM)和外层的滋养外胚层(TE)组成，TE进一步分化为促进胚胎侵入子宫内膜的EVT和形成胎盘的ST。虽然基因组学和转录组学研究已取得重要进展，但蛋白质作为生物功能的直接执行者，其动态变化规律仍知之甚少。

研究团队采用纳克级样本处理技术结合高分辨率液相色谱-质谱联用系统，克服了人类胚胎样本稀缺的技术瓶颈。特别值得注意的是，与转录组数据相比，蛋白质表达能更准确地预测胚胎发育潜能，这凸显了直接蛋白质组分析的重要性。

2 结果

2.1 人类卵母细胞、8细胞胚胎和囊胚的蛋白质组特征

研究首先建立了人类M2期卵母细胞、8细胞胚胎和囊胚的蛋白质组图谱，分别鉴定出282、321和333个蛋白质。主成分分析(PCA)显示各发育阶段的蛋白质组特征显著不同。囊胚阶段高表达的蛋白质主要富集于分泌颗粒(如S100A8/A9)和线粒体功能相关蛋白(如VDAC1-3)，而M2期卵母细胞则特异性表达肌节相关蛋白(如MYH7)。

引人注目的是，研究发现了156个在囊胚阶段显著高表达的蛋白质，其中54个在转录组水平呈现相同趋势。这些蛋白质主要参与糖酵解(PGK1)、抗氧化(PRDX5)和端粒维持等关键生物学过程。比较分析还发现，内细胞团(ICM)和滋养外胚层(TE)之间存在明显的代谢差异，ICM富集糖酵解相关蛋白，而TE高表达线粒体蛋白。

2.2 阶段特异性差异表达蛋白

通过两两比较分析发现：

• 8细胞胚胎vs M2卵母细胞：上调蛋白主要参与蛋白质折叠、前体代谢物生成和端粒维持

• 囊胚vs 8细胞胚胎：上调蛋白涉及分泌功能、防御反应和白细胞聚集

• 囊胚vs M2卵母细胞：内质网蛋白质加工、类固醇代谢等通路显著激活

特别值得关注的是，研究鉴定出33个与小鼠囊胚发育保守的调控蛋白，以及28个人类特异性表达蛋白，为理解物种间胚胎发育差异提供了新线索。

2.3 滋养层谱系分化的蛋白质组分析

研究团队进一步解析了TS细胞向EVT和ST分化的蛋白质组动态变化：

• TS细胞：富集发育谱系标志物(KRT17)和糖代谢相关蛋白(ENO2)

• EVT：上调侵袭相关蛋白(ITGA5、MMP14)和上皮-间质转化(EMT)标志物(VIM)

• ST(3D)：特异性表达胎盘激素(CGB3)和细胞融合相关蛋白(SDC1)

3D培养体系显著增强了ST标志物的表达，这为研究胎盘形成提供了更优的体外模型。

2.4 差异表达蛋白的功能解析

通过整合蛋白质组与转录组数据发现：

• EVT特异性通路：Rho GTP酶信号、黏着斑形成和ECM重构

• ST特异性通路：N-连接糖基化、COPII囊泡运输和类固醇合成

• 整合素分子开关：EVT高表达ITGA3/6，ST高表达ITGA1

这些发现为理解滋养层细胞命运决定提供了分子层面的新见解。

3 讨论

该研究首次系统描绘了人类植入前胚胎发育和滋养层分化的动态蛋白质组景观，鉴定出多个发育阶段特异性表达蛋白和信号通路。研究发现囊胚阶段特异性激活的分泌颗粒和线粒体相关蛋白网络，为胚胎植入能力评估提供了潜在分子标志物。

在技术层面，研究采用的纳克级样本处理策略和高灵敏度质谱技术，为微量临床样本的蛋白质组学研究建立了新标准。发现的物种保守和人类特异性调控因子，为进化发育生物学研究开辟了新视角。

特别具有临床意义的是，研究揭示的滋养层分化相关蛋白网络，为理解子痫前期、流产等胎盘相关疾病的发病机制提供了重要线索。ST分化过程中鉴定的糖基化修饰和激素合成相关蛋白，可能成为胎盘功能评估的新靶点。

4 实验方法

研究严格遵循伦理规范，所有胚胎样本均来自Royan研究所伦理委员会批准的患者捐赠。采用优化的单罐固相增强样本制备(SP3)方法处理微量样本，通过Q-Exactive HF-X质谱仪进行数据依赖性采集(DDA)。数据分析采用MaxQuant软件，以1%的假发现率(FDR)严格筛选差异表达蛋白。统计学分析采用limma算法，设定p<0.05为显著性阈值。