体外培养牛早期胚胎性别偏倚转录组特征揭示代谢调控与发育速度差异的分子机制

本研究针对体外受精(IVF)技术中雄性胚胎发育速度普遍快于雌性的现象，通过PCR性别鉴定结合超低输入RNA-seq和长读长测序技术，系统分析了牛囊胚期性别偏倚的转录组差异。研究发现雄性胚胎中837个差异表达基因(DEGs)显著富集于氨基酸代谢和线粒体功能通路，而雌性胚胎中606个DEGs与卵母细胞成熟和TGF-β信号通路相关。研究首次报道了1555个性别特异性可变剪接(AS)事件和1151个差异表达异构体(DEIs)，揭示X染色体剂量补偿在雌性胚胎中通过X染色体上调(XCU)和部分X染色体失活(XCI)共同调控。该研究为理解哺乳动物早期胚胎性别差异发育提供了多组学层面的新见解，对优化辅助生殖技术(ART)具有重要指导意义。

　　

在哺乳动物生殖生物学领域，一个长期存在的谜题是：为何在体外培养条件下，雄性胚胎往往比雌性发育得更快？这种现象在牛、猪、小鼠等多个物种中均有报道，但背后的分子机制始终未明。随着辅助生殖技术(ART)在畜牧业和人类生殖医学中的广泛应用，理解这种性别偏倚发育的调控机制，对于提高胚胎培养效率和后代健康具有重要意义。

传统观点认为，胚胎性别差异只有在原始生殖细胞迁移和性腺形成后才会显现。然而越来越多的证据表明，早在受精卵阶段，XY和XX染色体组合就已通过复杂的表观遗传和转录调控网络，开启了截然不同的发育程序。先前研究多聚焦于基因表达差异或单一调控层面，缺乏对可变剪接(AS)和异构体动态等转录组复杂层面的系统解析。

为解决这一科学问题，由Meihong Shi、Guangsheng Li等学者组成的研究团队，在《Cell》发表最新成果。研究采用创新的实验设计：将体外培养的牛囊胚均等分割为含内细胞团(ICM)和滋养层(TE)的两部分，分别进行PCR性别鉴定和转录组测序。通过整合短读长RNA-seq、长读长Iso-Seq和生物信息学分析，首次构建了牛早期胚胎性别特异性转录组全景图谱。

关键技术方法包括：1) 采用BO-IVF?培养基培养444枚牛胚胎，通过双重PCR法精准鉴定胚胎性别；2) 对11个样本(5雄6雌)进行超低输入RNA-seq，检测基因表达和可变剪接；3) 利用PacBio Revio平台对25枚4细胞期胚胎进行长读长测序，鉴定新型异构体；4) 运用rMATS-turbo分析性别偏倚AS事件，STRING构建蛋白质互作网络。

性别特异性发育速度差异

对444枚胚胎的统计分析显示，第7天扩张囊胚中雄性比例显著高于雌性(2.23:1，p<2.15e-6)，第8天非扩张囊胚中比例达4.21:1(p<8.75e-10)。Y染色体基因(如USP9Y)的特异性表达验证了性别鉴定准确性。

差异表达基因特征

共鉴定837个DEGs，其中雄性胚胎高表达231个基因，主要富集于α-氨基酸生物合成(如SHMT2、PYCRs)和碳代谢通路；雌性高表达的606个基因与卵泡发育(如GGNBP1)和TGF-β信号相关。值得注意的是，X染色体基因XIST在雌性中特异性表达，而17个XCI逃逸基因(如MED12)贡献了雌性X:A表达比(1.5)的升高。

可变剪接调控网络

发现1555个显著性别偏倚AS事件，其中756个为外显子跳跃(SE)。雌性中281个SE事件与FMR1结合模体显著相关，而475个雄性偏倚SE与HNRNPH2结合相关。这些事件导致雌性中DSPn(去磷酸化)结构域和雄性中FERM_N(膜定位)结构域的差异性跳跃。

异构体多样性分析

整合长读长数据鉴定1151个差异表达异构体(DEIs)，如雄性中特异性表达的APOE异构体影响脂代谢。差异外显子使用分析揭示DENND1B、DIS3L2等5个基因存在性别特异性调控。

讨论与意义

该研究首次揭示代谢重编程是雄性胚胎快速发育的核心驱动力：活跃的氨基酸合成和线粒体功能为细胞增殖提供能量和原料；而雌性胚胎通过上调mRNA监控和质量控制通路维持发育精确性。发现的X染色体剂量补偿新模式表明，雌性囊胚期同时存在X染色体上调(XCU)和不完全X染色体失活(XCI)，这为理解哺乳动物X染色体进化提供了新视角。

在技术层面，研究建立的"半囊胚分割测序"策略，有效解决了单胚胎RNA量不足的难题；而长读长数据的引入，则突破了短读长技术在异构体解析上的局限。发现的性别特异性剪接因子(如FMR1)和转录因子(如PRDM14)，为优化体外培养体系提供了分子靶点。

这项研究不仅深化了对哺乳动物早期发育性别差异的理解，也为农业育种中性别控制、人类辅助生殖中的胚胎选择提供了理论依据。未来研究可进一步探索代谢干预是否能够调节胚胎发育速度，以及这些转录组差异如何影响后代健康。