受精触发哺乳动物胚胎早期蛋白质组对称性破缺：从合子到2细胞期的蛋白不对称分布与发育潜能差异

《Cell》：Fertilization triggers early proteomic symmetry breaking in mammalian embryos

本研究针对哺乳动物早期胚胎发育中细胞命运不对称性的分子基础这一关键科学问题，通过应用单细胞蛋白质组学技术（SCoPE2和DIA），首次系统揭示了小鼠和人类2细胞期胚胎姐妹卵裂球之间存在显著的蛋白质组不对称性（定义为α和β状态）。研究发现这种不对称性可追溯至合子阶段，并由受精触发，与精子进入位点相关，且β卵裂球表现出更高的发育潜能（特别是向内细胞团贡献）。该发现颠覆了哺乳动物早期胚胎细胞完全等效的传统认知，为理解细胞命运决定、全能性丢失等早期发育事件提供了新的蛋白质组视角，对生殖医学和再生医学具有重要启示。

　　

在生命伊始，一个受精卵如何发育成一个复杂的有机体，是发育生物学的核心问题。长期以来，哺乳动物（包括小鼠和人类）的早期胚胎发育被认为是一个高度“调整”的过程，即早期卵裂球（blastomere）在发育潜能上是等效的，细胞命运的差异主要由发育后期细胞所处的位置决定。然而，近年来的一些证据开始挑战这一观点。例如，将2细胞期小鼠胚胎的姐妹卵裂球分开培养时，往往只有一个能够发育成正常的囊胚，而另一个则发育潜能有限。在人类胚胎中，谱系追踪研究也表明，2细胞期的两个卵裂球对未来胚胎本体（epiblast）的贡献并不均等。这些现象暗示，在哺乳动物胚胎发育的极早期，可能就已经存在着某种形式的“预模式化”（pre-patterning），但驱动这种早期不对称性的分子机制，尤其是蛋白质水平上的直接证据，一直难以捉摸。

以往的研究多聚焦于转录组（RNA）层面，但RNA的丰度并不总能准确反映功能性蛋白质的水平。为了直接探究蛋白质在早期胚胎细胞异质性中的作用，由Magdalena Zernicka-Goetz、Nikolai Slavov和Tsui-Fen Chou领导的研究团队，在《细胞》（Cell）杂志上发表了他们的最新研究成果。他们利用前沿的单细胞蛋白质组学技术，对小鼠和人类早期胚胎的单个卵裂球进行了精准的蛋白质定量分析，旨在回答一个根本性问题：在哺乳动物胚胎最早的细胞分裂中，是否存在蛋白质组的系统性不对称？如果存在，这种不对称性何时出现、如何建立，又与细胞命运有何关联？

为了回答这些问题，研究人员主要运用了两种关键的单细胞蛋白质组学技术：多重单细胞蛋白质组学（SCoPE2）和非标记数据非依赖采集（label-free DIA）。他们首先优化了实验流程，能够从小鼠和人类（来自捐赠的剩余体外受精胚胎）的单个卵裂球以及人工切割的小鼠合子半卵中，高效、洁净地提取蛋白质并进行质谱分析。通过对大量2细胞期、4细胞期胚胎的姐妹卵裂球进行系统性的蛋白质组比较，并结合功能性实验（如基因敲低和胚胎分割培养），深入探索了蛋白质不对称性的起源、动态变化及其生物学意义。

Proteomic asymmetry in blastomeres of 2-cell- and 4-cell-stage embryos

研究人员首先分析了小鼠2细胞期（早期和晚期）和4细胞期胚胎的单个卵裂球。令人惊讶的是，在所有分析的36个2细胞期胚胎中，姐妹卵裂球的蛋白质组 consistently（一致地）分离成两个截然不同的簇，他们将其命名为α和β。每个胚胎中都包含一个α和一个β卵裂球。他们鉴定出349个在α和β卵裂球间丰度存在显著差异的蛋白质，这些蛋白质许多与蛋白质降解（如泛素连接酶组分）和运输等相关。这种不对称性在从早期2细胞期到晚期2细胞期的发育过程中强度增加，并且在4细胞期胚胎中依然存在。

Proteomic asymmetry in the zygote

那么，这种蛋白质组的不对称性是何时开始的呢？为了探究其起源，研究人员手动将小鼠合子沿动植物极轴切割成两半并进行蛋白质组分析。结果显示，合子 halves（半卵）也分离成两个簇，并且这两个簇的蛋白质丰度变化模式与2细胞期的α和β卵裂球显著相关。这表明，蛋白质组的 asymmetry（不对称性）在受精卵阶段就已经建立，并被传递到2细胞期的子代细胞中。

Alpha and beta blastomeres are enriched for distinct biological processes

功能富集分析显示，α和β卵裂球富集了不同的生物学过程。β卵裂球特别富含与蛋白质运输（如离子通道、分子马达、囊泡运输）相关的蛋白质，而α卵裂球则与翻译 initiation（起始）因子等相关。与小鼠胚胎干细胞（ESCs）相比，卵裂球整体上显著富集了与蛋白质降解和运输通路相关的蛋白质，突出了这些过程在早期胚胎发生中的重要性。

The role of beta-enriched proteins in lineage fate

为了验证这些差异蛋白质的功能，研究人员选择了在β卵裂球中富集的Nedd8（一种泛素样蛋白）和Gps1（COP9信号体组分），以及在α卵裂球中富集的PSMC4（26S蛋白酶体组分）进行功能丧失实验。通过在2细胞期胚胎的一个卵裂球中特异性敲低这些基因，他们发现Nedd8敲低导致该卵裂球后代向内胚层（trophectoderm, TE）的贡献增加，而Gps1敲低则减少了其向内细胞团（inner cell mass, ICM）中上胚层（epiblast, EPI）的贡献。PSMC4敲低则普遍影响了所有谱系的细胞数量。这些结果证实了α-β蛋白质组差异的功能相关性。

Alpha and beta identity predict developmental potential

最关键的问题是，α和β的身份是否能预测发育潜能？研究人员将2细胞期胚胎的姐妹卵裂球分开，一个用于蛋白质组学分析以确定其α/β身份，另一个单独培养至囊胚期。结果显示，来源于β卵裂球的囊胚具有显著更多的上胚层细胞，而来源于α卵裂球的囊胚上胚层细胞较少。此外，继承第二极体（second polar body）的卵裂球更可能是β，而在4细胞期，已知发育潜能较低的植物极（vegetal）卵裂球更倾向于呈现α身份。这些发现强有力地 linking（连接）了早期的蛋白质组不对称性与后期的发育命运。

Fertilization triggers the breaking of symmetry

这种不对称性是母源遗传的还是由受精触发的？研究人员发现，在孤雌生殖（parthenogenetic）的2细胞期胚胎中，姐妹卵裂球之间没有出现类似的蛋白质组聚类模式。更重要的是，通过标记精子进入点（fertilization cone）并将合子切割成继承或不继承该位点的两半，他们发现继承精子进入点的合子半卵呈现出独特的蛋白质组特征，且该特征与2细胞期的β状态相关。后续的胚胎培养实验进一步证实，继承精子进入点的2细胞期卵裂球发育成的囊胚具有更高的上胚层比例。这直接将受精事件确立为早期蛋白质组不对称性的触发因素。

Proteome asymmetry is conserved in human 2-cell-stage embryos

最后，研究人员在人类2细胞期胚胎中也观察到了类似的蛋白质组双簇分布现象。尽管样本量有限，但他们鉴定出105个差异蛋白，并且功能富集分析再次揭示了蛋白质降解和运输通路的差异。跨物种比较显示，人类胚胎中的这两个簇与小鼠的α和β状态高度对应，表明这种早期蛋白质组不对称性在哺乳动物中可能是保守的。

综上所述，这项研究通过高精度的单细胞蛋白质组学分析，首次在哺乳动物早期胚胎中揭示了从合子阶段就开始的、由受精触发的蛋白质组不对称性，并明确了其与细胞发育潜能的直接联系。该研究不仅提供了宝贵的单卵裂球全蛋白质组数据集，更重要的是，它确立了一种以前未被认识的、在哺乳动物发育伊始就存在的蛋白质组“预模式化”现象。这为理解哺乳动物（包括人类）早期发育中对称性破缺、细胞命运偏倚和全能性丢失的分子基础提供了全新的框架和丰富的资源。这些发现不仅深化了对生命起源最基本规律的认识，也可能为辅助生殖技术中的胚胎筛选、提高妊娠成功率提供新的理论依据和潜在的分子标记物。