胚胎发育机制研究助力破解生育难题｜上海市科学技术奖

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：早期胚胎发育的调控机制研究

完成单位：同济大学

完 成 人：高绍荣 等

奖励等级：自然科学奖一等奖

随着经济发展和生活方式的转变，我国人口形势正在发生深刻变化。人口老龄化、少子化带来一系列重大而深远的挑战，将对我国经济社会高速发展和人民生活质量提高形成冲击。因此，合力构建生育友好型社会，守住人口生育红线已成为社会共识。

受到老龄化、代谢疾病高发及环境改变等因素的影响，我国不孕不育患者人数与出生缺陷率持续处于较高水平。其中表观修饰异常及遗传突变的风险增加引发的配子发育异常和胎儿发育缺陷，被认为是导致生育率下降及出生缺陷的重要原因。

如何建立生育科技支持体系，应对人口挑战呢？同济大学生命科学与技术学院教授高绍荣带领的研究团队从临床数据与模型动物等体系出发，积极开发与灵活地应用前沿分子和细胞生物学技术，建立了多个微量组学研究体系与创新性的胚胎发育实验平台，系统研究了组蛋白H3K9me3修饰、DNA甲基化以及染色质开放状态在早期胚胎发育和原始生殖细胞的动态改变，并解析了多个调控转录与细胞命运转变的关键分子模型。研究为解析表观遗传诱发的不孕不育与发育缺陷提供了新技术与新思路，为辅助生殖技术的改进和体细胞克隆效率的提升提供了重要理论基础与新的发展方向。

01 揭示早期胚胎发育的重要分子动态

哺乳动物的生命起始高度分化的精子与卵母细胞的结合后形成的受精卵。在这一过程中不仅实现了父母源遗传信息的融合，更重要的是需要擦除原本的表观修饰，实现发育全能性的重新建立。胚胎发育过程中细胞命运转变的精准调控和有序发生，保证了生命个体的正常生长发育。而胚胎发育过程中特化出的原始生殖细胞（PGC）作为生殖细胞前体，是配子细胞（精子与卵母细胞）的来源，为新一轮的生命诞生做准备。

“在胚胎发育过程中DNA序列没有发生改变，是细胞内的表观遗传改变造成了不同细胞命运的差异，这些修饰有的位于细胞核内，像DNA甲基化和组蛋白修饰以及染色质的高级结构，有的是跨越细胞核和细胞质，比如各种非编码RNA和各种RNA修饰等。这些不同层级的表观遗传的改变，是细胞获得不同发育命运和表现不同特性的根本原因，也是我们研究工作的重点和难点。”团队负责人高绍荣说。

近年来，随着微量细胞多组学技术的成熟与发展，单细胞的基因组和转录组技术得以成功研发。高绍荣团队和国内外多个研究团队从2016年开始相继研发了一系列针对微量细胞的表观检测技术，并将组蛋白修饰检测和DNA甲基化检测等成功应用于早期胚胎发育与体细胞核移植胚胎的相关研究中，为我国早期胚胎研究争取了国际话语权。

揭示早期胚胎与原始生殖细胞发育的重要调控机制

A.揭示早期胚胎发育过程中异染色质修饰H3K9me3的动态与调控逆转座子沉默的分子机制

B.解析植入前胚胎蛋白质组动态图谱并发现重要调控蛋白

C.利用微量细胞DNase-seq技术鉴定雌性原始生殖细胞的同源重组热点

“我们此次获奖的一个重要成果在于对于早期胚胎发育中异染色质重塑机制的研究。”团队重要成员，同济大学张勇教授介绍，异染色质修饰H3K9me3是一种抑制性的组蛋白修饰，在成体细胞中大量存在于逆转座子及部分基因启动子区域，被认为是固定细胞分化路径的重要修饰。他们利用微量细胞ChIP-Seq技术，首次绘制了早期胚胎发育过程中异染色质修饰H3K9me3的动态图谱，发现H3K9me3在早期胚胎发育过程中对逆转座子LTR的沉默发挥重要作用。他们的成果在领域内获得了广泛认可，他们也在后续的工作中，继续探索了人类胚胎的异染色质重塑机制，以及H3K9me3修饰在调控发育的重要印记基因方面的作用。“这些发现对于我们理解胚胎发育的表观风险具有重要意义，为胚胎期疾病的发生提供了新的研究思路。”

图2.解析多种重要调控因子在早期胚胎发育中的作用机制

A.全面揭示转录因子Dux的时空表达对胚胎发育的调控作用

B.发现克隆胚胎发育中的DNA再甲基化异常与其对发育的影响

“我们还做了一个费时费力的傻项目”，团队成员同济大学高亚威教授介绍，他们为了分析早期胚胎发育中蛋白质组的信息，收集了近万枚的小鼠植入前胚胎，并对受精卵，2-细胞，4-细胞，8-细胞，桑葚胚和囊胚等六个时期，首次完成了植入前胚胎蛋白质组动态图谱的绘制。他们发现了很多早期胚胎特异存在的蛋白和修饰变化，并且发现RNA调控相关蛋白可能对于早期胚胎非常重要。这些发现都为胚胎发育的调控机制研究提供了新的方向，该工作也为很多新的胚胎调控因子的发现提供了线索，支持了国内外多个课题组的研究发展。

02 解析原始生殖细胞的同源重组规律

原始生殖细胞（PGC）是哺乳动物胚胎发育过程中特化出的生殖细胞前体，是精子与卵母细胞的来源。PGC在发育成精子或卵子过程中要发生减数分裂。在此期间，来自父母的同源染色体发生联会，非姐妹染色单体之间发生同源重组。发生染色单体交换的位点即为同源重组热点。如果同源重组热点出现错误，就会产生突变的精子与卵子，从而造成出生缺陷。所以，PGC同源重组热点的鉴定与形成的调控机制研究非常重要，但是一直以来缺乏系统的鉴定方法。

“团队开发出微量细胞DNA的DNase I建库测序，实现了对于PGC细胞各阶段染色质开放区的测定。我们结合同源重组关键蛋白的结合位点信息，只需要一只胎鼠就可以精确鉴定雌性PGC同源重组热点。”团队成员，同济大学江赐忠教授介绍，他们的工作不仅首次系统绘制了人和小鼠原始生殖细胞发育过程中由DNase I超敏感位点（DHS）定义的顺式调控元件的动态图谱，还发现了雌性同源重组热点区域和雄性预开放的染色质状态，以及转录因子的动态结合特点等。为进一步解析哺乳动物生殖细胞的发育调控提供了数据支撑，也为探讨不孕不育发生，以及探索体外生殖细胞诱导，提供了重要线索。

03 解析细胞命运调控的关键分子模型

细胞命运的调控分子之间往往存在复杂的关联，其中一些处于关联中心位置的关键因子，往往扮演着重要角色，并成为左右细胞命运转变走向的关键。

“我们工作关注的转录因子Dux，就是这样一个关键因子。胚胎干细胞中高表达Dux往往会引起基因组激活胚胎2细胞阶段的众多基因与逆转座子，所以被认为是细胞全能性建立的关键因子。”团队成员，同济大学王译萱教授介绍，他们利用基因敲除小鼠模型和胚胎显微注射技术，发现Dux表达的时空调控对胚胎发育的重要性，并阐明其对体内全能性建立起到的是促进而非决定性作用。“我们的工作表明胚胎发育中存在其他全能性相关替代因子的剂量效应。这与此前的研究来说，是一个重要的进步。我们通过体内功能实验，提出Dux的及时降解对胚胎全能性向多能性转变的重要作用，并为后续全能性决定因子发现、Dux降解机制等相关研究提供重要理论基础。”

“我们还对体细胞核移植胚胎发育中，DNA修饰的调控模型进行了探索。”团队成员，同济大学高亚威教授介绍，他们利用创新性的胚胎活体取样和单细胞测序平台，首次发现了克隆胚胎发育中存在DNA再甲基化现象。通过干扰DNA甲基转移酶的表达不仅有效降低DNA再甲基化，还可以提高克隆胚胎的发育率和克隆动物的出生率，并改善胎盘的发育。

“我们发现DNA再甲基化这个调控模型和我们原来发现的组蛋白重编程缺陷是相互独立的，能够在提高克隆动物出生率上实现1+1大于2的效果。”高绍荣说，这提示不同层级的调控模型研究都可能带来新的技术改善路径，并为大动物胚胎发育和克隆效率的提升提供新技术与新思路。

“我们的工作依然面临众多挑战。”团队负责人高绍荣说，生命过程异常复杂，像一个黑箱，无论是研究方法，还是分析手段，都需要坚持不断的创新探索。

“我们的挑战一方面是需要不断地开发新的适用于发育研究的多维度微量检测技术与智能化分析方案，来进一步解谜；另一方面更重要的是对接生殖健康的临床问题，将基础研究的技术与理论用于不孕不育疾病的致病机制研究，以及辅助生殖技术的风险评估与改进，服务于人民生殖健康事业。”高绍荣说。未来，团队将继续坚持基础研究创新，为建立生育科技支持体系，助力生育优好社会建设持续努力。