综述：反刍动物胚胎发育阻滞：机制、分子洞察与潜在干预措施

《Animal Reproduction Science》：Developmental block in ruminant embryos: Mechanisms, molecular insights and potential interventions

　　

• 发育阻滞是体外胚胎高效生产的主要限制因素。
• 母源-合子转换的失败是反刍动物胚胎在8-16细胞期发生阻滞的底层原因。
• 表观遗传、线粒体、氧化和细胞周期缺陷共同导致发育阻滞。
• 关键的母源效应基因、凋亡基因和抗氧化基因调控胚胎发育能力。
• 新兴的培养策略和分子干预手段可以克服发育障碍。

引言

牛、水牛、绵羊和山羊等反刍动物是全球农业体系的重要组成部分。它们在粮食安全、营养和社会经济稳定方面发挥着重要作用，尤其是在发展中国家。它们将纤维质和低质量的植物材料转化为牛奶、肉类、羊毛、皮革和粪肥的能力，支撑了人类营养和可持续农业发展。除了经济重要性之外，反刍动物还通过养分循环、维持土壤肥力和高效利用边际土地为生态系统可持续性做出贡献（Pulina等，2017；Place，2024；Kazemi等，2025）。尽管具有这些优势，繁殖效率低下仍然是一个主要的生物和经济制约因素。早期胚胎阻滞或发育阻滞（即胚胎无法继续发育超过特定的卵裂阶段）在很大程度上导致了妊娠早期胚胎的大量丢失，造成受胎率次优（Perkel等，2015；Jiang，2025）。反刍动物的早期胚胎发育是一个高度调控和复杂的过程，与通常研究的啮齿类动物模型存在显著差异（图1）。

受精后形成合子，随后经历称为卵裂的快速细胞分裂。这些分裂导致形成具有发育能力的、能够着床的囊胚。在早期卵裂阶段，胚胎发育主要依赖于卵子发生期间积累的母源遗传的转录本、蛋白质和细胞器。与小鼠等快速发育的物种相比，反刍动物胚胎表现出较慢的卵裂动力学、独特的细胞质组织和延迟的胚胎基因组激活（EGA）（Mu等，2022；Wei等，2026）。对母源分子储备的长期依赖加上转录激活的延迟，增加了胚胎对细胞稳态、代谢调控和分子信号干扰的敏感性。即使细胞骨架完整性、线粒体功能、氧化还原平衡或母源RNA周转的细微改变也会影响胚胎发育，导致发育阻滞和早期妊娠丢失（Divvela等，2025；Wei等，2026）。这些脆弱性给体外胚胎生产（IVEP）带来了重大挑战，因为在体外胚胎生产中，胚胎暴露在模拟体内条件的人工体外环境中。

过去三十年间，体外胚胎生产已从一种研究技术演变为提高反刍动物遗传质量和群体扩展的必需工具。最初旨在研究胚胎发育和分子变化，体外胚胎生产现在被广泛应用于通过高效传播精英种质来加速遗传增益（Ferré等，2020；Viana，2024；García-Guerra等，2025）。尽管取得了相当大的技术进步，但反刍动物的体外胚胎生产效率仍然不稳定且往往不足。在牛中，囊胚率通常在30-40%之间，在优化的培养条件下可达59%（Esposito等，2026；Cevik等，2009；Aguila等，2020；Arias等，2022），而水牛表现出较低的体外胚胎生产效率，囊胚率通常报告在10-20%左右，具体取决于卵母细胞来源和培养条件（Anand等，2008；Currin等，2022；Waqas等，2026）。在绵羊中，囊胚率在传统培养条件下通常范围在15-20%，使用优化方案可实现显著更高的产量（Sánchez-Ajofrín等，2022；Cox和Alfaro，2007）。山羊的囊胚率变化更大，范围约为22-51%，具体取决于卵母细胞来源和培养方案（Sánchez-Ajofrín等，2022；Masoumi等，2026）。这些种间差异不仅反映了胚胎生理学的固有差异，季节变化、卵母细胞能力、供体生理状态和体外培养条件也共同影响发育效率和胚胎生产（Gasparrini，2002；Zhu等，2018；Souza-Fabjan等，2021）。导致这些低效的一个重要生物学限制因素是发育阻滞，这是一种多因素事件，在体外比在体内更为普遍。发育阻滞的阶段在物种间存在差异，并表明胚胎基因组激活时间的变异。在小鼠模型中，发育阻滞通常发生在2细胞期，与显著的胚胎基因组激活一致（Schultz，2002）。在人类中，阻滞通常发生在4-8细胞期之间，而在包括山羊、绵羊、水牛和牛在内的反刍动物中，发育阻滞发生在8-16细胞期之间，与显著胚胎基因组激活的开始相一致（Meirelles等，2004；Verma等，2012；Graf等，2014a；Lee等，2014；Zhang等，2021；Jiang，2023）。阻滞的胚胎表现出明显的形态异常，包括卵裂球形状不规则、碎片化、细胞质空泡化和细胞间通讯受损，表明细胞组织和代谢功能发生改变（Sfakianoudis等，2021；Souza-Fabjan等，2023；Zhang等，2023）。尽管母源-合子转换、表观遗传重编程和培养诱导的应激已被认为是导致发育阻滞的原因，但它们的协同调控和潜在的分子机制仍知之甚少。

母源-合子转换是一个调控早期胚胎发育能力的关键步骤，在此过程中，发育调控从母源储存的转录本转变为胚胎基因组的转录调控。合子基因组激活代表了一个关键的转折点，因为胚胎在激活自身基因组之前完全依赖母源mRNA和蛋白质。母源mRNA稳定性、翻译调控、RNA清除或染色质重塑的紊乱可能会阻碍或阻止合子基因组激活，导致发育阻滞（Telford等，1990；Graf等，2014b；Kojima等，2025）。在反刍动物中，合子基因组激活发生在啮齿动物之后，延长了依赖母源因子的时间并增加了对转录失败的脆弱性（Li等，2013）。此外，体外培养技术不能完全复制输卵管的生化和生物物理环境，这可能增加了体外胚胎生产来源的胚胎对合子基因组激活相关发育阻滞的敏感性。

表观遗传重编程在发育胚胎能力和可塑性方面也发挥着关键作用。适当的DNA甲基化动态、组蛋白修饰、染色质可及性以及非编码RNA的调控对于维持全能性和正确的谱系指定至关重要（Jacob和Moley，2005；Tisato等，2025；Wan等，2026）。尽管如此，体外产生的胚胎通常表现出异常的表观遗传特征，表现为DNA甲基化改变、组蛋白乙酰化降低和microRNA表达改变（Tisato等，2025；Wan等，2026）。这些缺陷通常被氧化应激、不充分的培养条件和卵母细胞质量的异质性所加剧，突显了固有分子编程与外在环境因素之间的密切关系。

转录组学、蛋白质组学、代谢组学和单细胞测序的最新进展增强了对反刍动物早期胚胎发育的理解，与小鼠模型相比，展示了特定的母源RNA使用模式、延迟的胚胎基因组激活和独特的表观遗传重塑（Graf等，2014；Zhao等，2024）。胚胎发育早期发生的任何干扰都会导致重要的长期影响，如胎盘发育改变、胎儿生长受损、代谢问题和出生后生理变化。与自然受孕的犊牛相比，通过体外胚胎生产产生的犊牛通常在出生体重、胎盘结构、血管发育和器官功能方面存在差异（Rivera，2019；Rivera等，2021）。鉴于体外胚胎生产在遗传改良和保护方面的日益使用，解决反刍动物胚胎的发育阻滞至关重要。因此，本综述总结了导致反刍动物胚胎发育阻滞的因素和分子机制的现有知识，特别强调母源-合子转换、氧化应激和表观遗传调控。本综述还讨论了提高反刍动物胚胎体外发育能力的潜在策略。

各章节片段

发育阻滞的评估

评估胚胎质量对于了解导致反刍动物胚胎发育阻滞的因素至关重要。然而，尽管经过几十年的大量研究，体外胚胎生产的总体效率仍然不足。在全球范围内，牛中超过80%的移植胚胎是体外产生的，其中只有40%能导致成功妊娠，突显了现有评估和培养技术的局限性（Rabel等，2023）。传统的胚胎学标记物……

评估胚胎质量和发育能力的关键标记物

近年来，在反刍动物胚胎质量和发育能力的可靠标记物鉴定方面，人们越来越重视从传统的形态学评估转向综合生物化学、分子和代谢指标。基因表达谱分析已成为该领域的一种强大工具，OCT4、SOX2和NANOG等关键多能性相关转录因子在高质量胚胎中表现出差异表达……

母源-合子转换及其在发育阻滞中的作用

母源-合子转换是早期胚胎发育中的一个关键调控阶段，决定了胚胎能否继续正常发育或经历卵裂期阻滞。这一转变标志着发育控制从母源沉积的转录本和蛋白质转向胚胎自身的转录程序；这是一个在多细胞动物中保守的过程，对于胚胎发育能力和活力至关重要。受精后的最早阶段，胚胎仍然……

发育阻滞的分子机制

反刍动物的早期着床前发育关键依赖于母源mRNA翻译的精确时间控制。在卵母细胞和最初卵裂周期中，胚胎处于转录沉默状态，主要通过细胞质多聚腺苷酸化等机制选择性激活储存的母源转录本，以及RNA结合蛋白（如CPEB、YBX1）和翻译起始与延伸因子受调控的活性……

培养环境的优化

反刍动物的胚胎发育显著受体外培养环境的影响，突显了培养基的物理和化学参数对实现发育能力的重要性。培养条件的微小变化会破坏代谢平衡，损害细胞分裂，并导致发育阻滞。一个关键的物理因素是氧气浓度：雌性生殖道的生理氧气水平低于大气水平……

结论

胚胎发育阻滞仍然是反刍动物体外胚胎生产的关键瓶颈，源于培养过程中固有的分子因素和外在应激。尽管在阐明早期发育阶段方面取得了进展，但相当大比例的胚胎未能通过8-16细胞期等关键检查点继续发育，反映了当前体外系统的局限性。多项研究的证据表明，氧化应激、次优的物理化学培养条件……

资助声明

本研究由盖茨基金会（INV-054049），美国提供资助。

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在本文的准备过程中，作者使用了OpenAI的ChatGPT 5.5来提高可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

未引用参考文献

（Brantley, Di Talia（2024）；Dos Anjos等，（2025）；Fu等，（2023a））

CRediT作者贡献声明

Manu Mangal：写作——审阅与编辑、可视化、数据整理。Srishti Bhatia：写作——原创草稿、数据整理。Dharmendra Kumar：写作——审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取、概念构思。Prasoon Priyadarshi：写作——审阅与编辑、数据整理。Manoj Kumar Jena：写作——审阅与编辑、可视化、指导、数据整理。Bhavya Maggo：写作——审阅与编辑、可视化、数据整理。Meeti Punetha：写作……

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

我们感谢印度新德里的印度农业研究委员会、农业研究与教育部以及ICAR-CIRB（希萨尔）主任提供了开展本研究所需的研究设施。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

Srishti Bhatia | Manu Mangal | Priya Dahiya | Ashish Sindhu | Bhavya Maggo | Meeti Punetha | Prasoon Priyadarshi | Manoj Kumar Jena | Dharmendra Kumar