Cell | mTOR活性调控人类囊胚的发育状态

撰文 | Sure

胚胎滞育是某些哺乳动物进化出的一种机制，通常由外部因素 （光周期变化、哺乳或饥饿等） 触发，暂时停止胚胎发育，使其处于休眠状态【1-3】。胚胎滞育发生在囊胚阶段，在滞育期间胚胎的代谢和增殖活动明显减少，但滞育得胚胎仍然能够响应特定信号重新激活发育过程【4-6】。滞育的进入、维持和退出都涉及复杂的转录、表观遗传和代谢重编程。目前已知有超过130种哺乳动物会在其生殖周期中利用某种形式的胚胎滞育。在人类胚胎滞育的可能性方面，虽然有学者提出这一假设，但目前没有实验证据表明人类胚胎在生理条件下有明显的滞育现象。由于伦理和技术限制，无法对人类胚胎进行体内实验，但可以利用体外培养的多能干细胞和其他模型来研究这一问题。

近日，来自德国马克斯-普朗克分子遗传学研究所的Aydan Bulut-Karslioglu在Cell上发表了论文mTOR activity paces human blastocyst stage developmental progression。在本研究中，作者发现通过减少mTOR信号通路的活性，可以诱导人类多能干细胞（hPSCs）和类囊胚（blastoids）（注：人类囊胚工作最早见于2021年的两篇Nature，分别由美国德克萨斯西南医学中心分子生物学的吴军团队和澳大利亚莫纳什大学Jose Polo团队发表，详见BioArt报道：； ）进入一种类似于滞育的状态，这种状态在功能和分子水平上都是可逆的。这些发现对生殖治疗具有潜在的重要意义，特别是囊胚发育的调控和时间安排。

作者在之前的研究中发现mTOR蛋白激酶是决定小鼠囊胚进入滞育还是继续增殖的主要控制因素，通过抑制mTOR可以在体外诱导胚胎进入类似滞育的状态，并且这种状态也是可逆的。而在本文中，作者首先分析了基于人类干细胞诱导的的类囊胚模型中mTOR通路的作用模式。结果表明，小鼠和人类囊胚中的mTOR通路具有高度相似的模式，均表现出在极性滋养层中较高的pS6信号以及壁滋养层和内细胞团的低信号。mTOR通路通过响应细胞环境中的营养物质和生长因子来调控细胞的生长和增殖，其中胰岛素样生长因子 （IGF） 是mTOR通路的上游调节因子，参与多种物种中胚胎滞育的调控。作者发现在人类囊胚模型中，IGF1的添加可以提高人类囊胚的形成率，并增加每个囊胚中的内细胞团细胞数量。这些结果表明mTOR在胚胎发育中的保守机制，也暗示着人类囊胚可能存在的滞育状态。

滞育状态的特征是细胞增殖减慢，并且阻止囊胚在子宫中的植入。因此，研究人员探究了抑制mTOR通路对囊胚发育的影响。mTOR的抑制剂RapaLink-1 （mTORi） 处理类囊胚，并不会影响类囊胚的形成效率，但是mTORi处理后形成的类囊胚较小，且含有较少的滋养层细胞，表明mTOR活性对滋养层发育具有重要调控作用。此外，作者还发现mTOR通路还调控极性滋养层的分化以及附着到子宫内膜细胞的能力。对于mTOR通路是否影响类囊胚的发育进行研究后，作者发现在类囊胚形成后进行mTORi处理，成功地延缓了类囊胚的发育进程，尤其是减少了内细胞团的增殖。这个过程在形态和分子水平上与小鼠体内的胚胎滞育高度相似。并且，作者认为mTORi引发的状态除了涉及翻译的减少，还会影响细胞粘附、发育信号传导和代谢活动。这表明诱导胚胎滞育状态不仅依赖于抑制翻译，还需要调整粘附、信号传导和代谢等多方面的细胞活动。

随后，作者对接受和未接受mTORi处理的类囊胚进行了scRNA-seq。通过单细胞水平的分析，研究发现了mTOR抑制对类囊胚发育的组织特异性影响，尤其是在滋养层和内细胞团中的不同作用。滋养层细胞更容易在mTORi处理后继续增殖，而内细胞团细胞则大部分保持在早期发育阶段，但有少部分会继续分化到更晚的发育阶段。作者进一步分析了mTORi处理对不同阶段的hPSCs和类囊胚的作用。结果表明，mTOR活性在hPSCs的不同发育阶段中调节细胞增殖具有阶段依赖性。mTORi能够诱导囊胚期的hPSCs进入一种可逆的休眠状态，并通过抑制蛋白质合成、细胞分裂和能量代谢来维持这种状态。hPSCs的阶段依赖性反应与mTORi在类囊胚和小鼠囊胚中的作用一致。而在类囊胚进行mTORi处理3天后移除mTORi，类囊胚能够恢复正常发育，具备正常的附着能力和干细胞衍生能力。这一发现支持了mTORi诱导的滞育状态可逆性的假设，同时也证明了mTOR活性的组织和阶段特异性功能与小鼠胚胎滞育状态的特征高度一致。

最后，研究人员探讨了小鼠囊胚和人类类囊胚滞育状态的转变和调控机制。 通过分析蛋白质组数据，发现在两个物种中细胞运输、内吞作用和粘附连接的蛋白水平均出现上调，而转录、翻译和出口相关的细胞合成途径普遍下调，表明在休眠状态下，细胞为了保存能量会减少代谢活动。 不同的是，小鼠细胞中的脂肪酸降解以及FOXO和PPAR相关因子上调，而在人类多能干细胞中，半乳糖代谢和JAK-STAT信号通路增加更为显著。 这些差异提示不同物种在进入休眠状态时可能有不同的代谢需求和调控机制。 除了mTOR通路，作者还发现营养减少、半乳糖代谢增加和IGF受体抑制剂都可以代替mTORi诱导人类类囊胚的滞育状态出现。 这表明可以根据不同物种的特异性代谢需求诱导胚胎进入滞育期。

总的来说，作者利用类囊胚发现了人类胚胎存在着可逆的滞育状态，mTOR通路在其中发挥着重要作用，并且他们还发现物种特异性的代谢需求是调控不同物种胚胎滞育的关键因素。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.048

制版人：十一

参考文献

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