引言
胚胎着床是胚胎与子宫内膜建立紧密联系的过程，是成功妊娠的关键步骤。但是在一些极端的条件下，哺乳动物利用胚胎滞育（embryonic diapause），也称延迟着床（Delayed implantation）来延长妊娠时间，进而确保胎儿在有利的环境中出生【1,2】。在小鼠中，胚胎滞育起始于胚胎期（Embryonic day, E）4.5天的囊胚期（Blastocyst），滞育的胚胎具有形态发生停止和生理活动降低等特征【1】。科学家可以在小鼠上人工诱导滞育。具体而言，在受精后的第3天清晨，通过卵巢切除（Ovariectomy）和孕酮（Depo）注射诱导胚胎滞育【3】。经单剂量雌二醇（Estrogen）激活后，滞育的胚胎可以正常植入和发育【4】。然而，由于胚胎的取材限制和数据获取的技术难度，对小鼠胚胎滞育的调控机制尚不清楚。
2024年7月23日，德国马克思普朗克分子生物医学研究所Ivan Bedzhov课题组在Cell Stem Cell上发表了文章Analyzing embryo dormancy at single-cell resolution reveals dynamic transcriptional responses and activation of integrin-Yap/Taz prosurvival signaling。通过单细胞RNA测序技术，首次绘制了小鼠胚胎进入，维持和退出滞育，以及植入前和植入后的转录组图谱，并揭示了Integrin-Yap/Taz信号通路在胚胎滞育中的重要作用。
在该研究中，作者通过单细胞RNA测序技术，首次绘制了小鼠进入，维持和退出胚胎滞育，以及胚胎植入前（E4.5）和植入后（E5.5）的转录组图谱。分析结果显示，与传统观念中的发育“暂停”不同，滞育的胚胎在转录水平上是动态变化的。此外，上胚层（Epiblast, Epi），下胚层（Primitive Endoderm, PrE）和滋养外胚层（Trophectoderm, TE）在滞育期转录水平的改变是特异性的。通过对多潜能上胚层细胞的研究，作者发现与 E4.5 和重新激活的胚胎相比，多潜能转录因子（pluripotency factors）的转录水平在滞育期整体呈现上升趋势。然而，核心转录因子Oct4（Pou5f1）的表达却出现下降。有研究表明，Oct4 杂合子（heterozygous）胚胎干细胞 （Embryonic stem cells, ESCs）表现出更稳定的多潜能状态【5】。因此，上胚层细胞在滞育期Oct4表达的减少可能是 Oct4 杂合子ESCs在体外处于更稳定的多潜能状态的生理表现。此外，上胚层细胞在滞育时期还依赖整合素蛋白（Integrin, Itgb）感知外部微环境，从而导致 Hippo 信号通路的关键因子 Yap 在细胞核内聚集。虽然敲除（Knockout）Itgb1不影响植入前上胚层的发育，但是在滞育期间，该基因的缺失影响上胚层细胞的存活。此外，Itgb1正向调控Yap的核聚集，过表达Yap可以减轻由于Itgb1在滞育期的缺失导致的上胚层细胞数目的减少。作者还对Yap及其旁系同源物Taz在胚胎滞育阶段的作用进行了研究。结果表明，与对照组相比，敲除Yap的胚胎表现出上胚层细胞数目的显著降低，而敲除Taz对胚胎没有明显影响，这可能与Yap在上胚层细胞中的高表达有关。另外，对重新激活的胚胎研究发现上胚层的发育也依赖于Yap信号。最后，通过对ESCs中Hippo 通路的调控，揭示了该信号通路的级联反应在阻止程序性细胞死亡方面的关键作用。同时，对敲除Itgb1或Yap的胚胎进行cleaved caspase-3染色，证明了滞育时期上胚层细胞数量的减少是由于细胞凋亡引起的。综上所述，作者的研究揭示了滞育胚胎在转录水平上是动态变化的。此外，上胚层细胞依靠Integrin感知外部微环境，并通过 Yap/Taz 介导的促生存信号来维持在滞育期间的存活。更有意思的是，扩散的癌细胞能够在形成新的肿瘤前保持长期的“休眠（dormant）”状态来逃避免疫系统的“追杀”，而Yap 可抑制休眠癌细胞的凋亡，对化疗产生耐受【6】。因此，细胞休眠可能有生理（胚胎滞育）和病理（休眠癌细胞）两种表现形式，其基本原理是相同的。对胚胎滞育的研究为癌细胞如何抵御化疗提供了新的见解。
模式图（Credit: Cell Stem Cell）参考文献
1. Fenelon, J. C., & Renfree, M. B. The history of the discovery of embryonic diapause in mammals. Biol Reprod, 99(1):242-251, doi: 10.1093/biolre/ioy112 (2018).2. Renfree, M. B., & Shaw, G. Diapause. Annu Rev Physiol, 62, 353-375, doi: 10.1146/annurev.physiol.62.1.353 (2000).3. Weitlauf, H. M. Effect of progesterone on survival of blastocysts in uteri of ovariectomized mice. J Endocrinol, 51(2):375-80, doi: 10.1677/joe.0.0510375 (1971).4. Yoshinaga, K., & Adams, C. E. Delayed implantation in the spayed, progesterone treated adult mouse. J Reprod Fertil, 12(3):593-5, doi: 10.1530/jrf.0.0120593 (1966).5. Karwacki-Neisius, V., Göke, J., Osorno, R., Halbritter, F., Ng, J. H., Weiße, A. Y., Wong, F. C., Gagliardi, A., Mullin, N. P., Festuccia, N., Colby, D., Tomlinson, S. R., Ng, H. H., & Chambers, I. Reduced Oct4 expression directs a robust pluripotent state with distinct signaling activity and increased enhancer occupancy by Oct4 and Nanog. Cell Stem Cell, 12(5):531-45, doi: 10.1016/j.stem.2013.04.023 (2013).6. Kurppa, K. J., Liu, Y., To, C., Zhang, T., Fan, M., Vajdi, A., Knelson, E. H., Xie, Y., Lim, K., Cejas, P., Portell, A., Lizotte, P. H., Ficarro, S. B., Li, S., Chen, T., Haikala, H. M., Wang, H., Bahcall, M., Gao, Y., Shalhout, S., Boettcher, S., Shin, B. H., Thai, T., Wilkens, M. K., Tillgren, M. L., Mushajiang, M., Xu, M., Choi, J., Bertram, A. A., Ebert, B. L., Beroukhim, R., Bandopadhayay, P., Awad, M. M., Gokhale, P. C., Kirschmeier, P. T., Marto, J. A., Camargo, F. D., Haq, R., Paweletz, C. P., Wong, K. K., Barbie, D. A., Long, H. W., Gray, N. S., & Jänne, P. A. Treatment-induced tumor dormancy through YAP-mediated transcriptional reprogramming of the apoptotic pathway. Cancer Cell, 37(1):104-122.e12, doi: 10.1016/j.ccell.2019.12.006 (2020).https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(24)00250-9责编|探索君
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文章来源|“BioArt”
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