Nat Genet | 林戈/商周春合作绘制人类全染色体组非整倍体囊胚的单细胞图谱

发表时间：2024-06-18 08:24

导语

染色体非整倍性是人类早期胚胎发育阻滞、流产和出生缺陷的主要原因。染色体分离错误可以发生在卵子、精子生成的减数分裂期或早期胚胎有丝分裂期。减数分裂错误形成非整倍体胚胎，包括染色体重复（三体）和缺失（单体）。有丝分裂错误形成嵌合体胚胎。胚胎植入前遗传学检测（Preimplantation genetic testing， PGT）发现囊胚阶段1-22号染色体上均检测到三体和单体，而流产胚胎中主要检测到常染色体三体和性染色体非整倍性，极少涉及常染色体单体，表明单体胚胎的发育潜能低于三体胚胎，大多在胚胎植入过程中发育阻滞。目前对于非整倍体胚胎发育潜能下降，以及三体和单体胚胎表型不一致的原因还不清楚。

2024年6月5日，中南大学林戈课题组与华大生命科学研究院商周春课题组合作在Nature Genetics在线发表了题为A single-cell transcriptome atlas of human euploid and aneuploid blastocysts的研究论文。该研究首次绘制了人类正常和非整倍体囊胚的单细胞转录组图谱，揭示了全染色体组非整倍体囊胚的剂量效应规律，发现上胚层（Epiblast, EPI）是囊胚发育的调整中心，通过分泌TGF-β和FGF信号通路相关因子介导胚内及胚外谱系细胞的命运，并且TGF-β和FGF信号通路活性下降是非整倍体胚胎（尤其单体胚胎）EPI发育异质性和滋养外胚层（Trophectoderm，TE）成熟不足的重要原因。

林戈课题组及其合作团队基于PGT结果筛选出覆盖1-22号常染色体及性染色体的三体和单体囊胚，正常二倍体囊胚作为对照，总共检测了203枚囊胚，共计14908个细胞的单细胞转录组（smart-seq2）。转录组数据和免疫荧光染色结果显示不同染色体非整倍体囊胚均能分化出EPI、下胚层（Hypoblast, HYP）、极滋养层 (polar TE) 和壁滋养层(mural TE)四个谱系。为了从单细胞水平分析PGT结果的准确性，研究人员利用单细胞转录组数据开展染色体拷贝数变异（Copy number variation, CNV）分析，发现91%（185/203）囊胚单细胞核型与PGT一致，有18个非整倍体囊胚单细胞核型分析为嵌合，说明单细胞转录组推断的CNV信号跟胚胎的PGT核型具有较高一致性。非整倍体胚胎与正常胚胎的差异基因分析显示，特定染色体上约19.5% 的基因表现出明显的剂量效应 (cis-DEGs )，且在三体胚胎上调，单体胚胎下调，约25.6%的基因表现出剂量补偿（cis-DCGs），剩余53.9%的基因为剂量效应不显著。有趣的是，cis-DEGs在染色体上并不是随机分布的，部分cis-DEGs在特定的G-bands区域富集，共鉴定出90个剂量敏感的G-bands，其中有25个为已知致病性的剂量敏感G-bands。研究发现非整倍体不仅造成特定染色体上的基因表达改变，也会引起其余染色体上的基因表达变化（trans-DEGs），并且超过50%的trans-DEGs受特定染色体上发生剂量效应的关键转录因子（cis-TF）调控，表明特定染色体上关键TF表达水平的改变是引起trans-DEGs的主要原因之一。此外，不同染色体非整倍体胚胎也表现出一些共性的剂量效应，比如氨基酸代谢、抗原加工等相关通路基因在三体和单体胚胎表达下调，应激反应和细胞凋亡通路相关基因在单体胚胎表达上调。

为了探究非整倍性对囊胚谱系分化的影响，研究人员分析了非整倍体囊胚中EPI、HYP、polar TE和mural TE的谱系特征。聚类分析和拟时序分析显示非整倍体囊胚EPI出现异质性亚群，部分EPI发育延迟，还有少部分EPI倾向于向TE分化。通过配体-受体对分析，研究人员发现人类囊胚EPI主要表达TGF-β和FGF信号通路相关配体，且对应的受体在四个谱系广泛表达。重要的是，TGF-β和FGF信号通路相关配体在非整倍体EPI，尤其是单体EPI，显著下调。为了验证TGF-β和FGF信号通路在人类植入前胚胎发育过程中的作用，研究人员在桑葚胚阶段抑制TGF-β和FGF信号通路，形成的囊胚EPI也表现出异质性，进一步在单体囊胚体外延长培养体系中补充外源性TGF-β和FGF信号激活因子，补充组单体胚胎EPI数量显著高于对照组，证实人类早期胚胎EPI的发育进程主要受TGF-β和FGF信号通路调控。同时，研究人员分析非整倍体胚胎EPI分泌的TGF-β和FGF信号通路相关配体下降对胚外谱系分化的影响。拟时序分析发现TE可以分为4个不同时期（phase 1-4），TE从壁滋养层端（phase 1-2）到极滋养层端（phase 3-4）趋向成熟，并且非整倍体胚胎，尤其是单体胚胎，phase 3-4 TE的占比显著低于正常胚胎，表明单体胚胎TE成熟不足，这可能是导致单体胚胎植入失败的原因。在人类植入前胚胎中抑制TGF-β和FGF信号通路也重现了单体胚胎TE成熟不足的表型，说明EPI可以通过旁分泌TGF-β和FGF信号分子调控TE谱系的成熟。

该研究从全染色体组水平解析了人类早期胚胎染色体倍性—基因表达—谱系分化的级联调控网络，为理解染色体剂量效应及对早期胚胎发育的影响奠定了基础。

中南大学林戈研究员和华大生命科学研究院商周春副研究员为本文通讯作者，中南大学冷丽智副教授和顾亦凡副研究员，华大生命科学研究院王声鹏博士和王全磊博士为本文共同第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-024-01788-6