张进/胡泽平团队系统绘制哺乳动物早期胚胎发育的代谢重塑和代谢调节过程

2021
08/06

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生物世界
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编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

代谢是生物体内能量物质和生物组成物质相互有序作用形成的信号网络,对于细胞的生命活动非常重要。哺乳动物早期胚胎发育过程,尤其是受精到着床期间的发育过程,伴随着细胞的分裂和增殖,以及基因调控网络和表观遗传重塑的急剧变化,细胞代谢在这个过程中也一定具有重要的作用【1】


目前人们对体外培养的多能干细胞(Pluripotent stem cells, PSCs)的代谢调控有大量的研究,而早期胚胎的代谢研究由于可及样本有限且缺乏高灵敏度代谢组学技术的挑战,尚没有系统性的研究报道【2】


近日,浙江大学医学院干细胞与再生医学中心张进课题组与清华大学药学院胡泽平课题组合作,在预印本 Research Square 上发表题为:Metabolic remodeling during murine early embryo development 的研究论文。


该研究描绘了小鼠着床前胚胎发育过程中的代谢重塑过程,以及关键代谢物L-2-羟基戊二酸(L-2-hydroxyglutarate, L-2-HG)通过影响表观遗传修饰参与调节早期胚胎发育和细胞命运的分子机制。



研究团队通过代谢组学、转录组学等手段研究了小鼠二细胞胚胎囊胚的代谢特征,并研究了重要差异代谢物L-2-羟基戊二酸(L-2-Hydroxyglutarate, L-2-HG)在早期胚胎发育过程中通过影响H3K4me3甲基化的擦除影响胚胎的发育的分子机制



研究人员在此前开发的高灵敏度靶向代谢组学方法的基础上进一步优化代谢组学技术【3】,由此鉴定了早期胚胎发育过程中代谢的动态变化,比较了二细胞胚胎与囊胚的代谢特征。同时研究了体外二细胞样细胞(2C-like cell, 2CLC)胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell, ESC)的代谢特征。


研究发现,二细胞胚胎中富集甲硫氨酸、精胺/亚精胺和烟酰胺等代谢通路的代谢物,而囊胚中富集三羧酸循环(TCA)和嘌呤代谢通路的代谢物。研究人员还发现,根据代谢特征,无论是二细胞胚胎还是囊胚,他们和ESC都有明显差别。


相对胚胎而言,2CLC与ESC的代谢特征相对接近。不过二细胞胚胎和2CLC也有相似点,谷胱甘肽(Glutathione, GSH)含量以及多胺类化合物等与氧化还原相关的代谢物含量都高,推测这两种细胞可能都处于更还原的状态。而囊胚和ESC中TCA通路的代谢物含量较多,这两种细胞处于更氧化的状态。与之相符,TCA通路的代谢物α-酮戊二酸在囊胚中比二细胞期胚胎更高;有趣的是,α-酮戊二酸的竞争性代谢物2-羟基戊二酸属于最明显的二细胞含量更高的差异代谢物之一。研究团队进一步分析了2-羟基戊二酸对早期胚胎发育的影响。


2-羟基戊二酸主要有两种镜像异构体,L型与D型。D-2-HG作为“oncometabolite”已经在肿瘤细胞中有了相对深入的研究【4】。研究团队首先鉴定了胚胎中检测到的是通常生理条件下存在的L-2-HG。接着研究团队发现卵母细胞中L-2-HG含量最高,绝对定量显示可以达到mM级别的浓度,这与具有IDH1/2突变的癌症细胞中的D-2-HG的浓度类似。


随着受精后胚胎的发育,L-2-HG含量逐渐降低。早期胚胎体外培养过程中添加外源性L-2-HG会阻碍胚胎的发育。2-HG作为去甲基化酶的辅助因子α-KG的竞争性拮抗剂,可能参与受精后一系列组蛋白的去甲基化过程。研究团队发现如果阻止发育过程中L-2-HG水平的降低,将造成H3K4me3等组蛋白修饰擦除的阻滞。


此外,该论文还报道了一种可以清除L-2-HG的L-2-羟基戊二酸脱氢酶(L2hgdh) 在二细胞胚胎后期表达量急剧上升。通过siRNA敲低L2hgdh的表达,可以造成L-2-HG水平上升,以及H3K4me3擦除的阻滞。



总的来说,本研究通过对小鼠早期胚胎发育进行代谢组学与转录组学的研究,系统绘制了哺乳动物早期胚胎发育的代谢重塑和代谢调节的过程。研究结果将有助于我们进一步了解早期胚胎发育的代谢调节的过程,另外,也有助于增进对体外培养胚胎的营养条件如何影响胚胎发育的认识,从而为未来提升体外受精和胚胎培养等人工辅助生殖等关键技术的效率提供新的知识。


浙江大学的博士生赵静,清华大学的博士生姚珂,浙江大学的博士后余华、博士后张玲、博士生徐雨雁是文章的共同第一作者。浙江大学的张进研究员和清华大学的胡泽平研究员是文章的共同通讯作者。研究得到了梅奥诊所Hu Li、清华大学颉伟、浙江大学范衡宇、张丹、傅旭东、华东师范大学赵玉政等国内外课题组的支持。该项研究还得到了浙江大学医学中心/良渚实验室和浙江大学医学院附属第一医院的支持。


论文链接:

https://www.researchsquare.com/article/rs-623821/v1


参考文献:

1. Xia, W. and W. Xie, Rebooting the Epigenomes during Mammalian Early Embryogenesis. Stem Cell Reports, 2020. 15(6): p. 1158-1175.

2. Zhang, J., et al., Metabolism in Pluripotent Stem Cells and Early Mammalian Development. Cell Metab, 2018. 27(2): p. 332-338.

3. Agathocleous, M., et al., Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis. Nature, 2017. 549(7673): p. 476-481.

4. Ye, D., K.L. Guan, and Y. Xiong, Metabolism, Activity, and Targeting of D- and L-2-Hydroxyglutarates. Trends Cancer, 2018. 4(2): p. 151-165.

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关键词:
细胞,研究,发育,代谢,胚胎

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