高紹榮組首次繪製小鼠植入前胚胎蛋白質組動態圖譜

本文轉載自“BioArt”。

最近幾年， 各種基於少量細胞或者說單細胞的各種測序（RNA-Seq、DNA甲基化-Seq、ATAC-Seq等）技術取得了非常大的進步， 從小鼠到人類， 相關的工作頻出，

而且很多都是發表在Nature或Cell等雜誌上。 這其中， 不得不提到國內以北京大學湯富酬、喬傑等為代表的優秀學者所做出的的相關研究工作。 例如， 2014年湯富酬、喬傑、謝曉亮合作完首次繪製了世界首個人類早期胚胎DNA甲基化全景圖譜【1】；2015年該團隊又首次繪製了人類原始生殖細胞的轉錄組和DNA甲基化組圖譜【2】；而就在前不久就， 湯富酬、喬傑團隊對人類植入前胚胎發育的各個階段進行了單細胞、單堿基解析度的系統研究， 進一步解釋了人類植入前胚胎DNA甲基化重程式設計的動態過程【3】。

應該說目前關於小鼠或者人類植入前胚胎的轉錄圖譜和表觀遺傳圖譜研究已經比較多了， 然而由於技術的限制， 現階段關於植入前胚胎的蛋白質組研究尚處於空白。

最新發表的論文題為“Protein Expression Landscape of Mouse Embryos during Pre-implantation Development”。 該成果填補了植入前胚胎發育在蛋白質組水準上的研究空白， 為深入研究胚胎發育的機制提供了全新的資料依據和研究方向。

我們知道， 在受精之後， 終末分化的兩種生殖細胞結合形成具有全能性的受精卵，

並逐漸分化形成一個完整的生命體， 在這個過程中， 母源蛋白的儲存和降解保證了受精過程和卵裂早期重程式設計的正確發生， 而胚胎基因組表達蛋白的合成和發揮作用是胚胎繼續發育和分化的重要保證， 相比轉錄組的研究， 蛋白質作為大部分功能實現的最終分子是胚胎發育和調控的主要執行者， 其動態變化對於研究早期胚胎發育調控十分重要。 此外， 至少在斑馬魚和非洲爪蟾中的相關研究表明在同一時期內轉錄組和蛋白組的相關性很差【4,5】， 也就是說很多時候轉錄組水準的變化並沒有很好的反應對應的蛋白組的變化。 然而由於技術水準的限制和材料獲取的難度， 植入前胚胎的蛋白質組研究一直未能實現。

在高紹榮課題組與廖魯劍課題組合作完成的這項研究中， 研究人員利用高靈敏的蛋白定量質譜技術， 檢測了小鼠植入前胚胎受精卵、2-細胞、4-細胞、8-細胞、桑葚胚和囊胚等六個時期的蛋白質組資訊， 成功確認了植入前胚胎中4000多個蛋白的含量變化資訊， 並首次繪製了植入前胚胎蛋白質組動態圖譜。

圖1：小鼠植入前胚胎蛋白質組圖譜的定量測定

該研究發現早期胚胎發育中存在顯著的蛋白水準和蛋白修飾的變化， 研究人員鑒定發現了大量母源蛋白以及與胚胎分化和囊胚形成密切相關的蛋白。 通過蛋白互作調控網路分析， 研究人員成功預測了一些胚胎發育過程中的重要調控因數， 並進行了驗證。 如rRNA結合蛋白Rrp9被發現可能是囊胚形成的關鍵蛋白， 驗證發現該基因在胚胎的敲降將直接引發胚胎在桑葚胚階段的死亡。

對蛋白的修飾分析， 發現了許多重要激酶和信號通路的磷酸化在植入前胚胎中存在顯著變化。 聯合轉錄組資料分析，進一步發現植入前胚胎中蛋白的表達變化與mRNA的變化並不一致，而是存在錯位，並且在受精後，可以觀察到明顯的與蛋白變化無關的大量母源RNA降解，這表明在早期胚胎中存在豐富的RNA轉錄後調控，如RNA選擇性降解與選擇性翻譯等。這些發現都為胚胎發育的調控機制研究提供了新的方向。

圖2 小鼠植入前胚胎蛋白組和轉錄組差異顯著

圖2 小鼠植入前胚胎蛋白組和轉錄組差異顯著

總的來說，該成果在一定程度上填補了植入前胚胎發育在蛋白質組水準上的研究空白，為深入研究胚胎發育的機制提供了全新的資料依據和研究方向。該工也為哺乳動物胚胎植入前的蛋白組學研究打開了一扇窗戶，具有引領性，相信在未來幾年內會有更多的基於少量細胞的高精度蛋白組學的相關工作出現，小鼠的做完了，相信人類的也不遠了。

據悉，同濟大學生命科學與技術學院的高紹榮教授和華東師範大學的廖魯劍教授為本文的共同通訊作者，同濟大學的高亞威副教授、劉曉雨博士、李翀副研究員以及華東師範大學的唐彬老師為本文的共同第一作者。

參考文獻：

1、Guo, H., Zhu, P., Yan, L., Li, R., Hu, B., Lian, Y., ... & Jin, X. (2014). The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature, 511(7511), 606-610.

2、Guo, F., Yan, L., Guo, H., Li, L., Hu, B., Zhao, Y., ... & Wang, W. (2015). The transcriptome and DNA methylome landscapes of human primordial germ cells. Cell, 161(6), 1437-1452.

3、Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Dong, J., Li, R., ... & Wang, X. (2017). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature Genetics

4、Peshkin, L., Wühr, M., Pearl, E., Haas, W., Freeman, R. M., Gerhart, J. C., ... & Kirschner, M. W. (2015). On the relationship of protein and mRNA dynamics in vertebrate embryonic development. Developmental cell, 35(3), 383-394.

5、Alli Shaik, A., Wee, S., Li, R. H. X., Li, Z., Carney, T. J., Mathavan, S., & Gunaratne, J. (2014). Functional mapping of the zebrafish early embryo proteome and transcriptome. Journal of proteome research, 13(12), 5536-5550.

聯合轉錄組資料分析，進一步發現植入前胚胎中蛋白的表達變化與mRNA的變化並不一致，而是存在錯位，並且在受精後，可以觀察到明顯的與蛋白變化無關的大量母源RNA降解，這表明在早期胚胎中存在豐富的RNA轉錄後調控，如RNA選擇性降解與選擇性翻譯等。這些發現都為胚胎發育的調控機制研究提供了新的方向。

圖2 小鼠植入前胚胎蛋白組和轉錄組差異顯著

圖2 小鼠植入前胚胎蛋白組和轉錄組差異顯著

總的來說，該成果在一定程度上填補了植入前胚胎發育在蛋白質組水準上的研究空白，為深入研究胚胎發育的機制提供了全新的資料依據和研究方向。該工也為哺乳動物胚胎植入前的蛋白組學研究打開了一扇窗戶，具有引領性，相信在未來幾年內會有更多的基於少量細胞的高精度蛋白組學的相關工作出現，小鼠的做完了，相信人類的也不遠了。

據悉，同濟大學生命科學與技術學院的高紹榮教授和華東師範大學的廖魯劍教授為本文的共同通訊作者，同濟大學的高亞威副教授、劉曉雨博士、李翀副研究員以及華東師範大學的唐彬老師為本文的共同第一作者。

參考文獻：

1、Guo, H., Zhu, P., Yan, L., Li, R., Hu, B., Lian, Y., ... & Jin, X. (2014). The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature, 511(7511), 606-610.

2、Guo, F., Yan, L., Guo, H., Li, L., Hu, B., Zhao, Y., ... & Wang, W. (2015). The transcriptome and DNA methylome landscapes of human primordial germ cells. Cell, 161(6), 1437-1452.

3、Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Dong, J., Li, R., ... & Wang, X. (2017). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature Genetics

4、Peshkin, L., Wühr, M., Pearl, E., Haas, W., Freeman, R. M., Gerhart, J. C., ... & Kirschner, M. W. (2015). On the relationship of protein and mRNA dynamics in vertebrate embryonic development. Developmental cell, 35(3), 383-394.

5、Alli Shaik, A., Wee, S., Li, R. H. X., Li, Z., Carney, T. J., Mathavan, S., & Gunaratne, J. (2014). Functional mapping of the zebrafish early embryo proteome and transcriptome. Journal of proteome research, 13(12), 5536-5550.