囊胚滋养外胚层初步分化的单细胞测序：对胚胎植入的新见解
囊胚滋养外胚层初步分化的单细胞测序：对胚胎植入的新见解
摘要
- 背景：哺乳动物胚胎的成功着床是妊娠的基础。着床过程中，胚胎外层的滋养外胚层细胞（TE）接触并侵入子宫内膜，建立与母体的联系。但目前关于着床机制以及着床失败的原因仍不清楚。
- 结果：本文通过对人和小鼠围着床期胚胎进行单细胞测序分析，鉴定了不同时期 TE 分化的两种亚型，预测植入极滋养外胚层细胞与子宫内膜的相互作用机制，并推断着床失败的潜在原因。
- 结论：
- 胚胎从透明带孵化后，TE 分化为接触内部内细胞团的极滋养外胚层（PTE）以及远离内细胞团的壁滋养外胚层（MTE），本研究发现二者具有不同潜能，PTE 的转录组比 MTE 更加成熟。
- 尽管人和小鼠胚胎的植入极不同，但在细胞周期活动以及着床和胎盘形成的关键基因的表达上表现出相似性。
- 体外共培养无法附着或体内植入失败的胚胎在能量生成、蛋白质代谢以及18S rRNA m6A 甲基化等通路中表现出异常。
实验结果
本文收集了人类和小鼠围植入期共计 65 个胚胎进行单细胞测序，通过激光辅助显微切割分离 PTE 和 MTE 并标记位置信息，统一定义了 S1、S2、S3 三个时期。人类胚胎质控标准为基因数>2000 且转录本>10000；小鼠胚胎质控标准为基因数>1200 且转录本>10000。过滤后共获得 2327 个细胞。
1. 人类 TE 细胞分化
首先作者对 S1-S3期胚胎以及子宫内膜癌 (ISK）细胞共 1719 个细胞进行降维聚类，结合标记的位置信息及 marker 基因，鉴定的细胞类型包括：极滋养外胚层（PTE）、壁滋养外胚层（MTE）、上胚层（EPI）和原始内胚层（PE）。
S1 期 TE 无明显亚型。S2 期 MTE 存在三种亚型：MTE1 与 MTE2 相近，而 MTE3 更接近于 PTE，且发育阶段位于 MTE1/2 和 PTE 之间，可能为过渡阶段。GO 富集显示，PTE 高表达激素刺激和血管发育基因，为胎盘发育做准备。而 MTE 在能量代谢和细胞周期方面更活跃，为胚胎着床提供能量。对 S2 期 TE 进行拟时序分析发现 PTE 位于轨迹末端，表明其比 MTE 更加成熟。
传统的 TE 标记基因在两种亚型中也存在差异。HAND1 优先在 MTE 中富集，而绒毛合体滋养细胞的标记基因（SDC1, GCM1, OVOL1）以及胎盘生长因子 PGF 则在 PTE 中高表达，与人类胚胎在 PTE 接触子宫内膜的假说相符。
2. 小鼠 TE 细胞分化
为了比较人和小鼠 TE 发育分化的异同，作者对相应阶段的 26 个小鼠胚胎共 592 个细胞进行分析。小鼠胚胎 TE 同样在孵化后的 S2 期开始分化，但是直到 S3 期才明显分型。
与人类相反，小鼠胚胎的植入极在 MTE，调控 TE 发育的基因如 Gata3 和 Rxra 会优先在 MTE 表达。MTE 在细胞骨架活性以及黏附方面也更活跃，但同样是 PTE 比 MTE 更成熟。人和小鼠胚胎的植入极都表达参与着床和胎盘发育的相关基因，且具有一定物种特异性。而非植入极都表现出更活跃的细胞周期以及更强的增殖能力。
SCENIC 分析表明 GATA3、RXRA、ARID3A 和 BHLHE40 等转录因子在人和小鼠植入极表现出保守的高转录活性。
3. 附着过程中发生的相互作用
为了更好地理解 TE 和子宫内膜之间相互作用的分子机制，作者使用胚胎-子宫内膜癌细胞（ISK）共培养体系模拟子宫内胚胎着床过程。通过 CellPhoneDB 预测 coISK 和 S3 期 PTE 之间的通讯，其中涉及桥粒介导的细胞连接、植入过程中的炎症反应、母胎耐受以及早期血管生成等过程。
为探究胚胎对子宫内膜的影响，作者还比较了与胚胎共培养和无胚胎培养的 ISK 细胞，结果表明共培养 ISK 细胞中上调了与细胞增殖、视黄酸信号传导和胚胎附着等相关的基因。
4. 着床失败的潜在机制
接下来，作者比较了五个成功附着（Attachment success, AS）的 S3 期人类胚胎和四个附着失败（attachment failure, AF）胚胎 (E26-E29) 的转录组。结果发现，AF 和 AS 胚胎中 PTE 的表达谱相似，但 MTE 具有显著差异。
与 AS 胚胎相比， AF 胚胎的 MTE 细胞上调翻译延伸基因 RPS28 和 DNA 损伤反应基因TPT1，且泛素蛋白连接酶活性和能量产生下降、运动和增殖的能力受损、以及 18S rRNA m6A 甲基化活性降低。
m6A 相关基因Trmt112 （作为甲基转移酶 Mettl5的激活剂）在 AF 胚胎的 MTE 中下调。敲除Trmt112后的小鼠胚胎仍然可以形成囊胚，但是无法存活。敲低Trmt112的小鼠胚胎的体外附着率显著降低。
最后作者收集了临床上检测为染色体正常但仍着床失败的胚胎，验证了体外培养分析结果的准确性。
总结
本研究思路清晰，围绕着围植入期胚胎的发育分化，描述了人和小鼠 TE 亚型的分子特征，并探讨了可能造成着床失败的原因，促进对胚胎着床机制的理解。
往期回顾
单细胞测序最好的教程（十）：万能的Transformer与细胞注释