Cell & Bioscience︱深圳先進(jìn)院揭示mTOR信號(hào)在著床前胚胎譜系分化中功能作用
代謝穩(wěn)態(tài)與細(xì)胞命運(yùn)決定和胚胎早期受損發(fā)展密切相關(guān)。蛋白激酶雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是細(xì)胞代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子在身體里。抑制早期胚胎mTOR信號(hào)導(dǎo)致胚胎植入后發(fā)育失敗,并探討其機(jī)制仍然知之甚少。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所能量代謝與生殖研究中心雷曉華課題組在Cell & Bioscience上發(fā)表題為mTOR hypoactivity leads to trophectoderm cell failure by enhancing lysosomal activation and disrupting the cytoskeleton in preimplantation embryo的文章。研究人員通過(guò)免疫熒光,單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組,單細(xì)胞甲基化測(cè)序等手段研究mTOR在早期胚胎發(fā)育中的作用。研究人員通過(guò)抑制mTOR信號(hào),觀察了對(duì)早期胚胎發(fā)育的影響,并進(jìn)一步分析了這些影響所涉及的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn),mTOR抑制會(huì)降低囊胚形成速率、著床能力和后續(xù)發(fā)育質(zhì)量,并且與溶酶體活性增加以及細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)擾亂相關(guān)。該研究揭示了mTOR在8細(xì)胞到囊胚轉(zhuǎn)變過(guò)程中起關(guān)鍵作用并保障早期胚胎發(fā)育的質(zhì)量。為我們更好地理解和干預(yù)人類生殖健康問(wèn)題提供了基礎(chǔ)知識(shí)。它有助于我們認(rèn)識(shí)到 mTOR在控制初級(jí)代謝與胚胎發(fā)育之間的關(guān)系可幫助我們開(kāi)展進(jìn)一步研究工作來(lái)改善不孕不育和輔助生殖技術(shù)。此外,對(duì)于那些正在可能處于妊娠早期的人們,這項(xiàng)研究也提醒大家在懷孕前和懷孕時(shí)要注意營(yíng)養(yǎng)充分,不要過(guò)度節(jié)食,以確保胚胎質(zhì)量和后代健康。
首先,研究人員抑制妊娠早期小鼠體內(nèi)mTOR信號(hào),發(fā)現(xiàn)囊胚形成率降低,形成的囊胚的著床能力,后續(xù)能夠出生的胎兒也體型變小,體重下降。mTOR抑制引起了囊胚質(zhì)量方面的多種缺陷,包括對(duì)滋養(yǎng)層細(xì)胞分化和細(xì)胞命運(yùn)分化造成問(wèn)題。
研究人員進(jìn)一步通過(guò)體外實(shí)驗(yàn),在1-細(xì)胞階段添加mTOR信號(hào)抑制劑研究其對(duì)早期胚胎發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)胚胎大部分阻滯在8-細(xì)胞到桑葚胚階段,然后在8-細(xì)胞階段添加mTOR信號(hào)抑制劑發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生和從1-細(xì)胞開(kāi)始抑制mTOR信號(hào)一樣的囊胚率下降,胚胎細(xì)胞命運(yùn)分化紊亂等相同表型。表明mTOR信號(hào)在8-細(xì)胞/桑葚胚到囊胚轉(zhuǎn)化階段起到關(guān)鍵作用。
最后,通過(guò)單個(gè)囊胚的轉(zhuǎn)錄組和甲基化測(cè)序,表明 mTOR抑制顯著影響了早期胚胎的轉(zhuǎn)錄和DNA甲基化狀態(tài)。影響的基因涉及的通路主要與糖代謝/細(xì)胞骨架構(gòu)建和溶酶體活性相關(guān)。研究人員通過(guò)體外免疫熒光檢測(cè)抑制mTOR后的囊胚細(xì)胞骨架,溶酶體和自噬活性證明這一點(diǎn)。
綜上,該研究揭示了mTOR 信號(hào)在哺乳動(dòng)物植入前胚胎發(fā)育中的關(guān)鍵角色,并提供了源自細(xì)胞和分子水平上開(kāi)展了多個(gè)方面的證據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所能量代謝與生殖研究中心實(shí)習(xí)博士生馬馳原和博士后李秦為該論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員雷曉華為獨(dú)立通訊作者,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院能量代謝與生殖研究中心研究員張鍵在工作中也給予了支持。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目,中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)項(xiàng)目,廣東基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金以及中國(guó)載人航天工程空間站第二批實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助。
?。ɡ讜匀A課題組長(zhǎng)是中國(guó)科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才獲得者和中國(guó)科學(xué)院—美國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)青年領(lǐng)軍人物,兼任中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間生命專委會(huì)委員,載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)評(píng)審專家等。長(zhǎng)期從事空間生命科學(xué)和胚胎發(fā)育生物學(xué)研究,先后參加了實(shí)踐八號(hào)、實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星,天舟一號(hào),天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船(中國(guó)空間站)的生物樣品搭載試驗(yàn),均取得成功。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)小鼠植入前胚胎太空全流程發(fā)育。首次觀察到太空微重力條件下ESC生長(zhǎng)和分化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)空間微重力有利于干細(xì)胞維持干性和三維生長(zhǎng)特性。國(guó)際首次開(kāi)展人多能干細(xì)胞體外早期太空造血分化,并實(shí)現(xiàn)了人胚胎干細(xì)胞在軌分化為造血干/前體細(xì)胞。)
圖1. 植入前抑制mTOR信號(hào)影響妊娠小鼠早期胚胎發(fā)育
圖2. 8-細(xì)胞至囊胚發(fā)育過(guò)程中mTOR抑制劑處理改變囊胚轉(zhuǎn)錄譜和溶酶體活性
圖3. 植入前抑制mTOR可破壞胚胎細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu),造成細(xì)胞分裂異常,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡
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