中科院动物所与北大合作研究揭示决定哺乳动物早期胚胎命运从混沌到有序的机理

传统观点认为，哺乳动物早期胚胎的第一次细胞命运决定起始于桑葚胚阶段(16细胞期)，此阶段的卵裂球首次在位置上出现了不对称分布：定位到桑葚胚表面或内部的细胞将在随后的发育中走向不同的细胞命运，“内”细胞分化为内细胞团(ICM，随后发育为胎儿);而“外”细胞分化为滋养外胚层(TE，随后发育为胎盘)。然而，近年来的一些证据表明，哺乳动物早期胚胎在出现形态上的不对称分布之前，早在4-8细胞期就已经出现了分子水平上的不对称，并认为不同卵裂球之间分子水平的不对称分布是决定卵裂球向ICM 或 TE分化的关键。然而，卵裂球之间的分子差异最早从何而来?卵裂球之间最初在分子水平产生的差别如何在后续分裂中如何动态变化并驱动不同的细胞命运决定?这些均是领域内尚未解答的问题。

借助近年来快速发展的单细胞测序技术，动物所研究团队通过对小鼠和人类从受精卵到16细胞期每个卵裂球的单细胞测序数据进行深度分析后发现：第一次卵裂后，两个卵裂球的表达谱就出现差异;由于此时合子基因组转录还未开始，这种差异源于分裂时细胞内物质分配的随机性。与这种随机性相吻合的是，那些对细胞生存必不可少的因子，由于含量高，比较容易被均匀分配;相反表达量低的因子(往往对细胞命运起调控作用)，很难得到均匀分配，导致在两个卵裂球中含量出现差异。

伴随着2细胞后期合子基因组转录启动，这种卵裂球之间的随机差异出现了两种趋势：一些分子趋向于消除在各个卵裂球之间的差异，符合数学上的“单稳模式”;而另一些分子在各个卵裂球之间的差异越来越大，出现两极分化甚至“全或无”的分布，符合数学上的“双稳模式”。有意思的是，符合“双稳模式”的分子往往与细胞分化相关，提示这些分子及其形成的“双稳模式”是引导早期卵裂球出现命运分化的关键。

进一步分析发现，具有相反作用的谱系决定因子，例如Carm1 (决定ICM) 和Cdx2 (决定TE)，在8细胞时期(形态上无明显区别)已经在不同的卵裂球内形成了各自的优势比例。这在分子层面已经预示了各个卵裂球后续不同的分化潜能。

本研究从分子水平揭示了早在卵裂球产生形态学差异之前，哺乳动物早期胚胎出现对称破缺(symmetry breaking)的动态进程。文章指出最初的不均等分布起源于卵裂产生的分子随机事件，继而通过转录调控将卵裂球之间的差异放大，而作用相反的谱系决定因子间力量博弈的胜负介导了第一次细胞命运决定。这些结果为理解哺乳动物早期胚胎第一次细胞命运决定的分子机理提供了一个新的理论框架。为此《Development》杂志专门发表highlight点评文章点评研究成果：Revisiting blastomere equality。

不同卵裂球之间关键因子的随机差异分布与转录调控反馈共同驱动了哺乳动物早期胚胎第一次命运决定

原文链接：

Dynamic transcriptional symmetry-breaking in pre-implantation mammalian embryo development revealed by single-cell rna-seq

原文摘要：

During mammalian pre-implantation embryo development, when the first asymmetry emerges ａnd how it develops to direct distinct cell fates remain longstanding questions. Here, by analyzing single-blastomere transcriptome data from mouse ａnd human pre-implantation embryos, we revealed that the initial blastomere-to-blastomere biases emerge as early as the first embryonic cleavage division, following a binomial distribution pattern. The subsequent zygotic transcriptional activation further elevated overall blastomere-to-blastomere biases during the two- to 16-cell embryo stages. The trends of transcriptional asymmetry fell into two distinct patterns: for some genes, the extent of asymmetry was minimized between blastomeres (monostable pattern), whereas other genes, including those known to be lineage specifiers, showed ever-increasing asymmetry between blastomeres (bistable pattern), supposedly controlled by negative or positive feedbacks. Moreover, our analysis supports a scenario in which opposing lineage specifiers within an early blastomere constantly compete with each other based on their relative ratio, forming an inclined ‘lineage strength’ that pushes the blastomere onto a predisposed, yet flexible, lineage track before morphological distinction.

doi: 10.1242/dev.123950