《Cells》：Effects of Metabolic Pathways and Products on Early Mammalian Embryonic Development
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背景：早期哺乳动物胚胎发育研究是胚胎干细胞（ESCs）培养、辅助生殖技术（ART）以及理解和预防早期胚胎发育缺陷的基础。代谢是胚胎发育最基本的生理活动。研究表明，特定的代谢通路和代谢产物在胚胎发育中发挥关键作用，这些作用不仅涉及为机体提供能量，还
摘要专业翻译
背景：早期哺乳动物胚胎发育研究是胚胎干细胞（ESCs）培养、辅助生殖技术（ART）以及理解和预防早期胚胎发育缺陷的基础。代谢是胚胎发育最基本的生理活动。研究表明，特定的代谢通路和代谢产物在胚胎发育中发挥关键作用，这些作用不仅涉及为机体提供能量，还涉及信号转导的调控。
综述目的：本综述考察了影响胚胎发育关键节点的因素，如卵母细胞成熟、合子基因组激活（ZGA）、细胞致密化和两次谱系分化，并阐述了胚胎在此期间的代谢特征。本综述旨在通过阐明胚胎代谢与其发育过程之间的关系，为改善早期哺乳动物胚胎发育提供新的见解和途径。此外，本综述强调胚胎代谢可作为评估体外胚胎发育水平的潜在指标，为辅助生殖技术中的评估提供新依据。
综述关键科学概念：本综述聚焦于三个核心概念。第一，研究人员展示了已知的胚胎发育调控机制，以增强早期胚胎发育的潜力。第二，研究人员阐明了代谢过程及其产物在早期胚胎发育中的潜在作用。第三，研究人员从细胞代谢的角度为早期胚胎研究提供了新的基础和视角。
论文主体内容总结
1. 引言
1.1 胚胎发育过程
1.1.1 卵泡发生
雌性胎生哺乳动物的生殖细胞在卵巢中生长发育，卵原细胞与单层鳞状颗粒细胞（GCs）在出生后组装并维持为原始卵泡。原始卵泡逐渐发育为初级卵泡，表现为外周鳞状颗粒细胞的立方化以及初级卵母细胞与颗粒细胞之间透明带的出现。青春期后，在促卵泡激素（FSH）作用下，初级卵泡转化为次级卵泡（优势卵泡），继而发育为窦状卵泡，其中颗粒细胞分化为卵丘细胞（CCs）和壁层颗粒细胞（MGCs）。
1.1.2 卵子发生
大多数雌性哺乳动物的初级卵母细胞在第一次减数分裂前期的双线期长期停滞，受高浓度环磷酸腺苷（cAMP）调控，等待重新进入减数分裂的信号。青春期促黄体生成素（LH）和FSH水平生理性升高，卵母细胞通过cAMP降低和生发泡破裂（GVBD）激活成熟促进因子（MPF）恢复减数分裂。第一次分裂后排出第一极体（PB1），停滞于第二次减数分裂中期（MII），等待受精。
1.1.3 合子发育
受精后，父源和母源原核（PN）的表观遗传修饰被重置至基础状态。经过数次卵裂，母源mRNA和蛋白质被清除，发生合子基因组激活（ZGA），即母源-合子转变（MZT）。桑葚胚阶段，具有顶端极性的外层细胞启动滋养外胚层（TE）分化。囊胚阶段发生第一次细胞命运决定，外层细胞退出多能性成为TE细胞；内细胞团（ICM）细胞经历第二次命运决定，分化为原始内胚层（PE）和上胚层（EPI）。
1.2 细胞代谢
1.2.1 碳水化合物代谢
糖酵解（EMP通路）在厌氧条件下产生丙酮酸、乳酸和少量ATP；有氧条件下的糖酵解称为有氧糖酵解（Warburg效应），与高细胞增殖水平相关。磷酸戊糖通路（PPP）的主要产物为NADPH和核酮糖-5-磷酸（R5P）。己糖胺生物合成通路（HBP）的终产物为UDP-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc），参与特定蛋白的翻译后糖基化修饰。
1.2.2 脂质代谢
脂肪酸（FA）代谢效率高，产生的ATP是葡萄糖的3.5倍。脂肪酸β-氧化（FAO）受CPT调控。甘油三酯（TAGs）以脂滴（LDs）形式储存在细胞质中。磷脂（PLs）是细胞膜中最丰富的脂质，磷脂酰胆碱（PCs）、磷脂酰乙醇胺（PEs）和鞘磷脂（SMs）构成功能性膜的结构单元。
1.2.3 氨基酸代谢
丝氨酸-甘氨酸-一碳（SGOC）通路是由叶酸循环和甲硫氨酸循环两个核心相互关联的循环组成的代谢网络。转硫通路（TSP）将甲硫氨酸的硫原子转移至丝氨酸产生半胱氨酸，可用于谷胱甘肽（GSH）合成以抵抗氧化应激。
1.2.4 能量代谢
乙酰辅酶A（CoA）进入线粒体通过三羧酸循环（TCA）释放H+，经电子传递链（ETC）中的氧化磷酸化（OXPHOS）生成ATP。胞质和线粒体中的NADK1/2催化NADP(H)与NAD(H)的相互转化。
2. 胚胎发育的调控因素
2.1 母体环境
2.1.1 卵泡微环境
人排卵前卵泡的单细胞转录组分析揭示了卵泡液中存在六种不同细胞类型，包括颗粒细胞、上皮细胞和巨噬细胞、树突状细胞、T细胞、中性粒细胞等免疫细胞。卵泡液中存在高度保守的C3a肽，可促进F-肌动蛋白聚集和纺锤体迁移，对提高卵母细胞质量具有重要作用。
2.1.2 颗粒细胞
卵母细胞因缺乏高亲和力胰岛素调控的葡萄糖转运体SLC2A4和糖酵解限速酶磷酸果糖激酶（PFK），依赖摄取其他代谢底物。卵母细胞与颗粒细胞之间的通讯主要通过间隙连接、旁分泌途径、黏附连接和细胞外囊泡（EV）介导的转运实现。卵丘细胞通过放射冠突起（TZPs）与卵母细胞形成间隙连接和黏附连接，构成卵丘-卵母细胞复合体（COCs），实现代谢物、信号调控因子和RNA的物理传递。卵母细胞可通过分泌骨形态发生蛋白15（BMP-15）和成纤维细胞生长因子8（FGF-8）等可溶性旁分泌因子调控卵丘细胞的代谢通路。
2.2 胚胎因素
2.2.1 卵母细胞成熟
卵母细胞核成熟标志第一次减数分裂完成，而胞质成熟需要积累mRNA、蛋白质和底物。根据染色质密度及核仁是否被染色质包围，GV期卵母细胞染色质结构分为非包围核仁型（NSN）和包围核仁型（SN）。SN型染色质构型的GV卵母细胞转录水平较低，有利于后续成熟。
2.2.2 线粒体
未成熟卵母细胞的线粒体呈圆形、帽状形态，嵴较少，直至桑葚胚阶段效率较低。卵母细胞减数分裂成熟过程中，线粒体聚集在纺锤体周围以响应有丝分裂的能量需求。线粒体DNA（mtDNA）随个体年龄增长发生降解、重排、突变和拷贝数减少，导致ATP降低和活性氧（ROS）增加。
2.2.3 父源基因的影响
精子tsRNA是来源于精子tRNA的小RNA，优先匹配胚胎基因的启动子区域以调控后代基因表达，代表介导饮食诱导代谢紊乱代际传递的父源表观遗传因素。人类ZGA在双亲胚胎的八细胞期从父源基因组启动。
2.3 表观遗传学
2.3.1 转录活性和染色质可及性
在从次要ZGA到主要ZGA的转变过程中，小鼠胚胎中的RNA聚合酶II（Pol II）经历装载、预配置和生产三个阶段。母源KLF17结合启动子并招募Pol II，OBOX调控Pol II在低GC启动子中的预配置，TDP-43与Cyclin T1相互作用共同调控基因组激活。TFAP2C-TEAD4-RHOA在2-8细胞期形成Hippo通路中的双稳态开关，调控细胞的首次命运决定。
2.3.2 DNA甲基化
DNA甲基化降低基因组转录，双亲基因组在第一次卵裂前发生广泛去甲基化，但印记控制区（ICRs）和部分反转录转座子除外。DNA甲基转移酶（DNMTs）和TET调控DNA甲基化水平。早期胚胎发育中DNA去甲基化不完全会降低ZGA，导致胚胎发育延迟。
2.3.3 组蛋白修饰
H3K4me3是活性启动子的标志，成熟小鼠卵母细胞中存在非经典形式的H3K4me3（ncH3K4me3）。H3K27me3是小鼠卵母细胞中母源Xist基因的印记标志，调控父源等位基因特异性的印记X染色体失活（XCI）。H3K9me3调控异染色质形成以维持基因组稳定性。H3K27ac在原核期建立，CBP/p300乙酰转移酶将H3K27ac沉积到开放染色质上以确保ZGA，而HDACs去乙酰化H3K27ac结构域以防止ZGA的过早表达。
2.3.4 RNA调控和转录后调控
RNA N6-甲基腺苷（m6A）是真核mRNA中最丰富的RNA修饰之一，由包含METTL3、METTL14和WTAP的RNA m6A甲基转移酶复合物调控。m6A在GV卵母细胞中介导RNA降解，而在MII至合子转变过程中保护母源RNA。SF3B1是关键的剪接因子，依赖CDK1磷酸化激活，调控早期胚胎发育中的合子剪接激活（ZSA）过程。
3. 胚胎发育中的代谢稳态
3.1 葡萄糖代谢
3.1.1 糖酵解
丙酮酸缺乏会降低O-糖基化以及丙酮酸脱氢酶（PDH）的核定位，减少ZGA中H3K4和H3K27乙酰化及H3K27甲基化，导致二细胞胚胎阻滞。α-酮戊二酸（α-KG）可减轻丙酮酸缺乏造成的损伤并使胚胎发育至囊胚期。乳酸可促进小鼠二细胞胚胎和人八细胞胚胎中H3K18的乳酰化，促进Pol II装载以增强主要ZGA基因的表达。
3.1.2 磷酸戊糖通路
PPP是产生NADPH的抗氧化通路。R5P促进尿苷三磷酸（UTP）形成以产生UDP-GlcNAc，与HBP通路形成串扰。PPP可能通过激活mTOR信号通路促进TFAP2C蛋白的翻译后修饰，从而增加TE标志分子CDX2的转录因子表达。
3.1.3 己糖胺生物合成通路
在COCs中，HBP通过合成透明质酸（HA）促进卵丘细胞扩张，而过度的HBP活性会糖基化热休克蛋白90（HSP90）并降低小鼠卵母细胞的发育能力。UDP-GlcNAc可在1-4个特定位点对YAP1蛋白进行O-连接糖基化，诱导YAP1在TE前体细胞中的核定位。
3.2 脂质代谢
3.2.1 脂肪酸
FAO是小鼠和牛卵母细胞减数分裂进展至MII期所必需的。小鼠减数分裂过程中多不饱和脂肪酸（PUFAs）含量降低有助于增加Nkap水平，防止染色体错位，并促进BTG4触发的卵母细胞mRNA降解。在hESCs中，增强的FAO促进乙酰辅酶A积累，增强SMAD3的乙酰化和核定位以引导内胚层分化。
3.2.2 脂滴
小鼠桑葚胚发育为囊胚过程中合成大量小而分散的LDs。LD表面蛋白CIDEA瞬时增大LDs，增大的LDs在细胞极化过程中防止胞质脂肪酶降解。Hsc70识别的LDs相关蛋白Plin2通过分子伴侣介导的自噬（CMA）降解促进ATGL对LDs的水解，诱导心磷脂（CLs）和PEs减少及PCs增加，导致线粒体嵴结构丧失和FAO受损，最终诱导mESCs退出多能性。
3.2.3 胆固醇和磷脂
囊胚阶段发生的剧烈脂质重塑涉及磷脂不饱和度的增加，SCD1增加磷脂的脂质不饱和度，有助于细胞质膜流动性和顶底极性，从而促进囊胚发育。鞘脂通路调控mTOR以控制TFAP2C，从而影响TE标志分子CDX2表达和胚胎分化。
3.3 氨基酸代谢
3.3.1 分解代谢
精氨酸（Arg）的代谢产物亚精胺补充可改善卵母细胞质量，可能通过调节线粒体自噬实现。小鼠二细胞期天冬氨酸（Asp）来源于草酰乙酸（OAA）并通过Asp-Mal穿梭转化为苹果酸。谷氨酸（Glu）来源于α-KG，谷氨酰胺（Gln）与Glu相互转化。hPSCs中内胚层和中胚层分化需要Gln代谢产生的α-KG，而外胚层分化依赖Gln激活mTORC1。甘氨酸（Gly）在二细胞胚胎中水平最高，在ZGA时被分解代谢，通过转化为嘌呤核碱基在囊胚中显著减少。
3.3.2 一碳代谢
SGOC通路产物在减数分裂恢复期间升高，随后在成熟卵母细胞中降低。S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是甲硫氨酸循环的中间产物，是多种生化反应中的甲基供体。
3.4 能量代谢
3.4.1 三羧酸循环
早期卵母细胞中乙酰辅酶A并非由葡萄糖产生，而是摄取环境中来自卵丘细胞的丙酮酸。α-KG激活Nrf2/ARE信号通路以促进抗氧化靶点对抗IVM中的氧化应激。2-羟戊二酸（2-HG）是α-KG的竞争性抑制剂，通过增加H3K4me3甲基化水平抑制二细胞胚胎发育为囊胚。
3.4.2 电子传递链
抑制卵母细胞中的线粒体氧化磷酸化会引起卵母细胞内ATP急剧下降，而抑制糖酵解不影响ATP，证明线粒体是卵母细胞ATP的主要来源。人卵母细胞中黄素单核苷酸（FMN）缺失导致线粒体复合物I组装不完全和ETC活性降低。
3.4.3 NAD+
NAD+代谢前体烟酰胺单核苷酸（NMN）或NAD依赖性去乙酰化酶SIRT2的过表达可恢复老年动物的卵母细胞和生育能力。NAD+和去乙酰化酶SIRT1在晚二细胞期去除合子H3K27ac以促进次要ZGA的退出。
3.4.4 氧化应激
氧化应激是细胞内ROS产生与消除之间失衡的结果。体外培养卵母细胞时，采集过程中的快速温度变化和可见光暴露导致ROS产生与消除的平衡丧失，直接影响减数分裂过程、细胞骨架结构和基因表达。
4. 胚胎发育优化的前景
4.1 利用代谢预测胚胎发育水平
小鼠和牛的卵母细胞成熟过程中FAO水平升高，而猪中降低，提示脂质代谢受多种通路影响，物种差异可能导致这些变化。
4.2 代谢调控改善胚胎发育
通过饥饿建模或其他方法增加AMPK以抑制mTOR活性，可降低乙酰辅酶A和H4K16Ac水平以维持胚胎停滞状态。抑制α-KG和Fe2+依赖性双加氧酶TET1导致DNA甲基化谱异常。硫胺素焦磷酸（TPP）是PDH的辅因子，是乙酰辅酶A合成和核心组蛋白乙酰化所必需的。
4.3 胚胎培养和辅助生殖的转化意义
α-KG补充通过激活Nrf2/ARE抗氧化通路促进猪卵母细胞的减数分裂成熟和囊胚发育。NAD+前体如NMN通过维持去乙酰化酶活性和确保纺锤体正确组装恢复老年小鼠的卵母细胞质量和生育能力。实时监测废弃培养液中的乳酸/丙酮酸转换和糖酵解通量可补充传统形态学分级。
4.4 代谢与不孕、植入失败和复发性流产的联系
子宫内膜异位症、卵巢储备功能减退和多囊卵巢综合征女性的卵泡液代谢组学分析显示葡萄糖、乳酸、丙酮酸、氨基酸和脂质特征改变。复发性植入失败（RIF）子宫内膜的多组学分析发现氨基酸、甘油磷脂和能量代谢的异常。复发性流产（RPL）中植入窗口期子宫内膜脂肪酸代谢紊乱。
5. 结论
代谢不仅是早期哺乳动物胚胎发育的能量供应者，也是连接营养可利用性、氧化还原稳态、生物合成过程、细胞信号传导、表观遗传修饰和细胞命运决定的动态调控枢纽。代谢特征在物种、发育阶段、组织微环境和实验设置之间存在显著差异。将代谢组学与单细胞转录组学、表观基因组学、蛋白质组学、脂质组学和空间组学技术相结合的未来研究，对于解析细胞分辨率和阶段分辨率的代谢状态至关重要。
