Nature子刊：人类卵子和受精卵中母源mRNA的降解规律及其与发育潜能的相关性

来源：Bio生物世界

卵母细胞向早期胚胎的基因表达模式转换，即“母源-合子过渡（Maternal-to-zygotic transition，MZT）”，是早期胚胎发育过程中的第一个关键事件。在模式生物（如果蝇、斑马鱼、非洲爪蟾）和实验动物（小鼠）中的研究都表明“母源-合子过渡”过程中母源mRNA的适时降解是胚胎自身基因组转录激活的一个重要前提。但是，人类卵母细胞受精前后母源mRNA的降解规律、生理意义，特别是与临床上不孕不育的相关性还未见报道。

近日，广东省第二人民医院生殖中心生育力保护实验室欧湘红教授、中信湘雅医院林戈教授、浙江大学生命科学研究院范衡宇教授团队，在Nature Communications上合作发表了题为：Dynamics and clinical relevance of maternal mRNA clearance during the oocyte-to-embryo transition in humans 的研究论文。

首次在全转录组水平上系统分析了人类“母源-合子过渡”过程中母源mRNA的降解模式、调控途径及其与卵子成熟、合子基因组激活、胚胎发育潜能之间的相关性。

课题组首先发现，人卵母细胞中积累的大量母源mRNA在“母源-合子过渡”过程中分两个波次发生降解：首先，伴随着卵母细胞减数分裂成熟和排卵，一些不稳定的母源mRNA发生降解。

该过程主要受到母源性因子（包括去腺苷酸化酶复合体CCR4-NOT的关键催化亚基CNOT6L、CNOT7和CNOT7的辅助因子BTG4）的调控，并且与卵子是否受精、胚胎基因组是否激活没有关联，因此也被称为母源性降解（Maternal decay，M-decay）；另外一部分母源性mRNA则比较稳定，直到受精卵发育到8细胞期才发生降解。而这一时期恰好是胚胎自身基因开始表达的时间点，说明这部分母源mRNA的降解依赖于新合成的胚胎因子，称为合子性降解（Zygotic decay，Z-decay）。

进一步研究表明，与早期胚胎基因表达密切相关的转录因子TEAD4及其辅因子YAP，以及受YAP-TEAD4诱导表达的mRNA末端尿嘧啶化修饰酶TUT4和TUT7，是促进Z-decay的关键胚胎因子。

图1：人卵母细胞成熟和受精过程中母源mRNA的降解模式。a：本研究中人成熟卵子、体外受精胚胎的培养和取样示意图。b:人MZT过程中母源mRNA发生M-decay和Z-decay的分类。c: M-decay和Z-decay发生的时序性和相互关系。

接着，课题组应用这些理论研究结果，解析了临床上辅助生殖病例中所观察到的一些病理现象，并发现了一些新规律：

1）一些患者在激素超数排卵处理后取到的卵母细胞不能正常成熟，并且在受精后阻滞在1细胞阶段。常规基因筛查也未检测到这些患者携带已知的导致卵子成熟障碍的基因突变。但是，单细胞转录组分析结果表明，这些发育阻滞的受精卵虽然形态上看似正常，但未能有效清除那些本应发生M-decay的母源mRNA。

2）虽然目前已知TUBB8基因突变影响减数分裂过程中纺锤体组装和染色体正确分离，是导致人类卵子成熟障碍和受精卵发育阻滞的一个常见原因，但在TUBB8突变的卵母细胞和受精卵中，母源mRNA的M-decay仍然可以正常发生，说明减数分裂过程中细胞骨架的组装并非母源mRNA降解的必要前提条件。

3）还有一些患者，虽然可以产生成熟的卵母细胞并能够正常受精、卵裂，但是在8细胞期发生不明原因的发育停滞，造成辅助生殖失败。对这些胚胎进行转录组测序发现，本应通过Z-decay被清除的母源mRNA发生了明显累积，而本应开始表达的早期胚胎基因未能有效进行转录。说明Z-decay途径的缺失是造成8细胞期人胚胎阻滞的一个关键原因。

图2：母源mRNA降解对人卵母细胞和受精卵发育潜能的影响。a：人卵母细胞母源mRNA M-decay的缺陷造成受精后发生1细胞期发育阻滞。b:人早期胚胎中母源mRNA Z-decay的缺陷造成胚胎发育在8细胞期发生阻滞。

本研究延续了作者近年来以小鼠为模型进行的“母源-合子过渡”机制研究，并且通过科学理论问题与临床病理现象密切结合的探索，得出以下创新性结论：

1）虽然发育时程各不相同，但人和其他已研究过的物种一样，都存在母源mRNA分阶段的程序性降解；

2）人母源mRNA降解效率是决定胚胎发育潜能的因素之一：卵母细胞期的mRNA降解缺陷（即M-decay）导致合子发育阻滞，而胚胎期进一步的母源mRNA清除（即Z-decay）是顺利发育通过8细胞期的关键；

3）在今后的辅助生殖临床实践中，可以通过评价母源mRNA降解程度，为不明原因的早期胚胎反复停育（包括合子期停育和8细胞期停育）提供科学的解释，从而能够有针对性地提出进一步的诊疗建议。

图3：人类母源-合子过渡过程中母源mRNA的降解动态、生理意义和调控机制的总结。在MZT过程中，母源mRNA分阶段、分批次发生降解，包括BTG4和CCR4-NOT复合体介导的M-decay途径和早期胚胎因子（YAP1-TEAD4、TUT4/7）与母源性因子共同介导的Z-decay途径。如果M-decay或Z-decay途径受阻，造成母源mRNA累积，会造成早期胚胎在特定阶段发生细胞周期阻滞。

据悉，浙江大学范衡宇教授、广东省第二人民医院欧湘红教授、中信湘雅生殖医院林戈教授为本文共同通讯作者，广东省第二人民医院生育力保护实验室沙倩倩博士和中信湘雅生殖医院郑伟博士为并列第一作者。