滞育小鼠胚胎的基因表达分析，不同基因的表达与预期是否一致？

编辑|夙夜玖歌

在许多哺乳动物物种中，胚胎细胞的增殖可以在胚胎植入时被可逆地抑制在胚胎滞育中。最近的一份报告发现，胚胎基因表达的变化与胚胎细胞增殖相关，并可能停止其增殖。

我们都习惯了大多数成功的人类怀孕大约持续9个半月。但在大约100种哺乳动物物种中，同一物种的个体的怀孕时间可能不同，甚至一个个体的怀孕时间也不同。各种调节怀孕时间的策略已经进化出来，从交配后精子的储存和定时释放以供受精，到延迟植入胚胎的发育，就像在一些蝙蝠物种中一样。

然而，最常见的方法是让受精卵发育到囊胚阶段，然后阻止胚胎细胞的增殖和代谢。这种停止阻止了囊胚植入子宫——这是随后胚胎发育的必要步骤。植入延迟，或胚胎滞育，导致囊胚进入一种代谢和增殖静止状态。一旦滞育中断，囊胚恢复了活跃的新陈代谢，细胞增殖开始，囊胚在子宫中植入并继续发育。

滞育在哺乳动物生殖策略中的确切作用尚未完全确定，但它似乎已经进化为一种策略，以最大限度地提高哺乳动物的生殖适应性，并增加后代在出生后存活的可能性。因此，滞育通常会在有充足食物的时候产生后代季节性环境下的供应。滞育特别吸引人的是，它是一种可诱导但可逆的机制，可以阻止早期胚胎细胞的增殖——早期胚胎细胞具有极其快速增殖的内在能力。

小鼠囊胚可以被认为是准恶性的，因为手术将囊胚转移到子宫外部位，如睾丸或肾包膜下，导致胚胎形成快速生长的畸胎癌，在三到四周内重几克。最近一项研究分析了滞育小鼠胚胎中的基因表达模式，并确定了可能介导这种自然诱导的生长阻滞的基因。

调节胚胎着床和滞育的主要因素是母体子宫环境的激素状态。由卵巢产生的高水平的孕酮，是胚胎着床和维持着床后发育所必需的。另一种卵巢类固醇激素，雌激素，首先在排卵时产生，需要（与孕酮结合）来启动子宫的增殖和分化变化，为囊胚的到来做准备，从而确保正常妊娠。

在啮齿动物中，雌激素水平的第二次增加，即所谓的夜间上升，启动囊胚植入。雌激素诱导胚胎着床是介导的通过一种细胞因子，白血病抑制因子（LIF）在子宫中的表达。LIF是必需的，以便诱导子宫接受囊胚，允许胚胎植入：在没有LIF的情况下，囊胚不植入。

矛盾的是，尽管LIF首次确定的事实需要维持未分化增殖小鼠胚胎干细胞（ES）细胞培养，LIF不需要体内胚胎的正常发育，尽管胚胎干细胞来自内部细胞质量（ICM）的囊胚。对携带LIF缺陷囊胚的LIF缺陷女体进行LIF单次腹腔注射，足以诱导囊胚植入和随后的胚胎发育到出生。

在没有LIF的情况下（如在LIF敲除小鼠中发生的情况），植入后3-4天从子宫中恢复的未植入囊胚看起来非常像经历滞育的胚胎。在没有LIF的情况下，小鼠囊胚可能在默认情况下进入滞育状态。

囊胚也表达异二聚体LIF受体，但LIF激活这些胚胎受体对植入并不是必需的，因为缺乏功能性LIF受体的囊胚能够植入并经历植入后发育。然而，由于ICM细胞的逐渐丢失，缺乏gp130的LIF受体之一成分的囊胚在长时间滞育时不能存活。因此LIF可能在调节小鼠的囊胚植入、滞育和囊胚存活能力方面发挥多种作用。

LIF是子宫所需要的，从囊胚到正常的生殖周期中，胚胎不需要LIF来进行自己的发育。然而，如果囊胚经历滞育，则可能需要LIF（或其他与gp130结合的相关因子）来维持ICM细胞与ICM增殖的抑制相结合。这表明来自ICM的胚胎干细胞依赖于LIF作为一种生存因子。然而，驱动胚胎干细胞增殖的是尚不清楚。

母亲是如何调节小鼠的滞育的，但在囊胚中会发生什么呢？先前的研究表明，滞育囊胚进入增殖和代谢静止状态。细胞增殖停止，氨基酸摄取和整体代谢也停止。最近的一份报告利用微阵列技术进一步识别延迟囊胚和滞育后被激活的囊胚之间差异表达的基因。

在这项研究中，从大约100个滞育和激活的胚胎中分离出mRNA，对小鼠微阵列进行扩增和筛选，这些微阵列富集了小鼠发育不同阶段表达的基因。报告确定了229个基因（总共约22000个基因中，约1%）在激活和延迟囊胚之间有差异表达。延迟的囊胚中有80个基因表达水平升高，而在激活的囊胚中有149个基因表达水平相对上调。

在抑制和激活的囊胚之间表达水平改变的基因被分为6个功能组：即参与细胞周期或细胞增殖控制的基因；能量途径和碳水化合物代谢；信号传导；核运输；染色质重塑；和粘附。

与胚胎的生理状态，延迟囊胚显示降低基因表达水平参与细胞周期进程，以及增加基因的表达水平阻止细胞增殖G0或G1阶段细胞周期——例如，Btg1和细胞周期抑制剂p21Cip1，这是由p53。但p53在上调时可导致细胞周期阻滞，在受阻滞和激活的囊胚之间的mRNA水平没有任何差异。有趣的是，在滞育胚胎中上调的基因之一是母体表达的编码Igf2受体（Igf2r）的印迹基因，当过表达时，它会抑制细胞增殖。

激活的囊胚也显示出在葡萄糖和丙酮酸能量途径中起作用的基因表达的相对上调。另一个在延迟胚胎中被鉴定为上调的基因是Irs1，它编码胰岛素受体1底物，这是一种对接蛋白，在被胰岛素受体激酶磷酸化后，参与信号转导分子的结合和激活果蝇Irs1同源物Chico的突变导致突变果蝇的寿命显著增加，因此Irs1可能参与了在发育迟缓期间维持囊胚活力和寿命。令人惊讶的是，没有改变在延迟的囊胚中检测到LIF受体或gp130（它们共同组成异二聚体LIF受体）的表达水平。

在小鼠中，植入的标志是胚胎滋养层主动侵袭凋亡的管腔上皮。6个与紧密连接完整性、细胞迁移、细胞间细胞粘附和局灶粘附相关的基因在活化的囊胚中均上调。此外，肝素结合表皮生长因子（HB-EGF）在活化的囊胚附着的部位有显著的表达定位，在活化的囊胚中也表达上调。

这一发现特别有趣，因为HBEGF与EGF受体相互作用，在某些小鼠品系中，功能性EGF受体的缺失会导致植入期致死。虽然先前的结果表明HB-EGF介导囊胚植入，最近的报告表明，HB-EGF不是本地化细胞膜直到囊胚附件后，和小鼠缺乏HB-EGF生育，表明HB-EGF可能不是囊胚激活或植入。

总的来说，许多在滞育和激活的囊胚之间不同基因的表达，与预期随着激活而变化的细胞和生理事件是一致的。目前还没有一个因素被确定为是调节滞育的“关键”，除非它是229个差异表达基因中大约30%的尚未确定的功能。

然而，这些基因列表确实揭示了一些可能的候选基因，它们可能对介导植入囊胚中的生长停滞至关重要。

随着目前在该筛选中发现的许多基因中携带突变的小鼠敲除系的出现，将有可能系统地确定哪些基因可能需要滞育，正如gp130受体所显示的那样。反过来，这可能为在哺乳动物胚胎中调节细胞增殖和生长控制的分子机制提供深刻和迷人的见解。