基于单细胞分辨率分析胚胎休眠揭示的动态转录反应与Integrin-YAP/TAZ生存信号通路激活

引言

胚胎的休眠状态，即胚胎滞育（diapause），是一种独特的生殖适应机制，使一些哺乳动物能够在不影响其发育潜力的情况下暂停胚胎的发育进程。滞育通常在胚泡阶段（blastocyst）被激活，这一阶段的胚胎具备了植入或进入休眠的选择性能力。这一机制受到母体激素如雌激素和孕酮的调控，这些激素通过调节子宫的接纳状态，决定胚胎是否植入母体子宫，从而继续发育或进入休眠。尽管胚胎滞育是一个被广泛研究的现象，但滞育过程中的分子与细胞机制尚未完全清晰。因此，Chen及其团队通过小鼠胚胎的单细胞RNA测序（Single-Cell RNA Sequencing, scRNA-seq），对滞育状态的胚胎进行了分子层面的定义，揭示了休眠胚胎中的动态转录景观以及Integrin-YAP/TAZ信号通路的激活如何在休眠状态下保持胚胎的发育潜力。

论文概述与背景

这项研究由Max Planck Institute for Molecular Biomedicine的Rui Chen、Rui Fan、Fei Chen等研究者进行，文章于2024年9月5日发表在《Cell Stem Cell》期刊上。研究主要集中于使用小鼠模型，通过单细胞RNA测序，探究胚胎在滞育状态中的分子机制。通过这项研究，作者不仅揭示了滞育期间胚胎内细胞的转录动态，同时也发现了Integrin-YAP/TAZ信号通路在维护休眠胚胎发育能力方面的重要作用。这一发现对于理解胚胎滞育的生物学机制，乃至开发与胚胎保存、胚胎移植相关的技术有着重要的启发。

研究流程和实验设计

a) 实验流程与方法

研究分为三个阶段：进入滞育、滞育维持以及滞育退出。作者采集了小鼠胚胎在胚胎发育4.5天（e4.5）、7.5天（edg7.5）、9.5天（edg9.5）和5.5天（e5.5）的胚胎样本，进行单细胞RNA测序，以捕捉滞育状态的动态转录变化。为确保数据的全面性，研究不仅包含滞育状态的胚胎，还纳入了通过雌激素诱导退出滞育的胚胎样本，并结合了Wnt信号报告小鼠对滞育期的信号活动进行了验证。

b) 细胞转录景观与YAP/TAZ信号的探索

在滞育状态中，作者发现滞育胚胎的胚外组织与胚内组织均保持其细胞身份，转录活动出现特定的滞育期动态响应。尤其值得注意的是，Integrin受体的激活与YAP/TAZ信号通路共同作用以维持胚胎干细胞的活力。研究者通过构建整合分析网络对多个基因表达模式进行了分析，并通过免疫组化技术对相关蛋白在滞育胚胎的分布进行了可视化确认。

在胚外滋养层（trophectoderm, TE）和内细胞团（inner cell mass, ICM）的研究中，作者发现滞育状态下TE的极性形成并未出现明显分化，ICM则表现出独特的聚集现象。Integrin β1作为主要的信号受体，协助ICM维持极性与细胞活力；在ICM的极性形成过程中，Integrin-YAP信号通路起到了至关重要的作用。当Integrin β1缺失时，YAP蛋白在细胞核中的积累显著减少，ICM的细胞死亡率显著升高，表明Integrin-YAP信号在滞育维持中具有关键性作用。

研究结果

单细胞转录组数据展示的转录动态

通过单细胞分析，研究揭示了从胚泡到滞育的整个转录组景观。滞育期间，胚胎组织的分化受到抑制，所有细胞均维持在特定的未分化状态，而一旦滞育结束并进入植入阶段，细胞开始逐渐向专一性细胞谱系分化。这一过程由多种信号通路的动态变化调控，其中包括Wnt信号、FGF4信号以及YAP/TAZ信号。

Integrin-YAP/TAZ信号维持胚胎活力

研究发现，滞育期间Integrin-YAP/TAZ信号维持ICM的活力并防止细胞死亡。Integrin β1是胚胎与细胞外基质相互作用的关键受体，YAP蛋白的细胞核积累主要依赖于Integrin信号传导。通过遗传工程敲除YAP和TAZ的胚胎干细胞（ESC）实验，研究者发现这两个转录因子共同抑制细胞凋亡，并显著提高胚胎在滞育状态下的生存能力。这种机制不仅维持了胚胎干细胞的活力，同时也增强了胚胎对滞育状态的适应能力。

研究结论和意义

本研究深入解析了滞育状态下胚胎的动态转录反应，揭示了Integrin-YAP/TAZ信号通路在维持胚胎干细胞活力中的重要作用。该研究不仅为理解胚胎滞育这一现象的生物学机制提供了新的见解，还揭示了YAP/TAZ信号通路在细胞存活及其再活化中的关键性，具有重要的科学和应用价值。滞育的研究结果可能为生物医学领域提供新的策略，以维持或调控体内外胚胎的状态，从而为胚胎移植和人工辅助生殖提供参考。

研究亮点

1. 首个在单细胞水平揭示胚胎滞育的转录动态图谱：作者采用单细胞RNA测序技术捕捉了滞育胚胎在整个发育过程中转录活动的变化，详细展示了滞育状态的分子特征。

2. 首次揭示Integrin-YAP/TAZ信号通路的生存功能：研究表明，在滞育期间，Integrin受体激活YAP/TAZ信号，从而维持ICM细胞的活力，这对理解胚胎滞育的调控机制具有重要启示。

3. 开创了利用滞育状态来优化胚胎干细胞培养条件的可能性：该研究表明，通过调控Integrin-YAP/TAZ信号通路，可在体外更好地维持胚胎干细胞的未分化状态，这可能为提高胚胎干细胞的培养效率带来新的契机。

4. 展示了滞育与癌症细胞休眠的相似性：YAP/TAZ信号通路在胚胎滞育中的作用与其在肿瘤休眠中的作用存在某些相似性，这为未来探索肿瘤休眠的生物学机制提供了新的视角。

5. 明确的实验流程设计和详细的基因共表达网络分析：研究不仅包含生物信息学的深入分析，同时通过实验验证了关键蛋白在滞育胚胎中的表达分布和作用，为未来的滞育研究奠定了基础。

研究的局限性

尽管本研究揭示了滞育胚胎的转录动态，如何精确调控相关基因表达仍需进一步探究。此外，在真实生理条件下收集足够数量的胚胎，尤其是经过遗传改造的突变胚胎，具有较大挑战。未来研究需进一步解答Oct4在滞育期间的表达调控机制以及其他信号通路对滞育状态的整体影响。

该研究为胚胎滞育的分子机制提供了宝贵的见解。未来工作可进一步揭示更多尚未被发现的胚胎滞育调控机制，并探索其在再生医学及生物技术领域中的潜在应用。