2025年1月24日，中國科學院腦智卓越中心/上海腦科學與類腦研究中心劉真、孫怡迪、朱文成，復旦大學附屬中山醫院生殖醫學中心木良善，以及上海交通大學醫學院李辰合作在國際學術期刊《Cell》在線發表了題為《Comparative proteomic landscapes elucidate human preimplantation development and failure》的研究論文。在這項工作中，研究團隊優化了此前開發的超靈敏蛋白質組學技術體系，并通過低投入的樣本描繪了人類和小鼠著床前胚胎的深度蛋白質組景觀圖譜。團隊結合跨物種比較和多組學整合分析，系統性地解讀了哺乳動物早期胚胎發育的過程，并圍繞臨床上常見的低質量胚胎的形成進行了單胚胎蛋白質組分析。該研究為理解哺乳動物著床前胚胎發育提供了跨物種的新資源，為通過多組學解析早期胚胎發育機制提供了新思路，也為研究人類著床前胚胎發育失敗建立了新范式。

哺乳動物著床前胚胎發育包含受精、合子基因組激活（ZGA）、滋養層細胞和內細胞團的分化（第一次譜系分化）等關鍵生物學事件。近年來，隨著單細胞/微量核酸測序組學技術的不斷發展，科學家們在早期胚胎轉錄組、表觀組和翻譯組的解析方面取得了重要進展，極大地推動了對哺乳動物著床前胚胎發育的理解。已有研究顯示早期胚胎發育階段，轉錄和翻譯之間存在大量的解偶聯調控。蛋白質是細胞發揮功能的主要分子機器，因此全面深入的蛋白質組研究對于理解早期胚胎發育具有重要意義。然而，由于蛋白質不具有核酸的可擴增特性，先前的胚胎蛋白質組學研究通常需要大量胚胎樣本，或者蛋白質的鑒定深度較為有限。目前，只有少數研究從蛋白質組層面解讀了早期胚胎的發育。

研究團隊首先改進了前期開發的CS-UPT超敏蛋白質組技術體系，通過優化裂解液體系、簡化實驗流程、擴展譜圖數據庫等，成功地在單枚人類卵細胞中鑒定出超過4500種蛋白質。隨后，研究團隊應用該技術繪制了人類和小鼠卵細胞及著床前胚胎發育過程中的深度蛋白質組景觀圖譜。在人類研究中，每個實驗重復僅使用5枚卵細胞或胚胎，在不同發育階段共鑒定近8000種蛋白質；而在小鼠研究中，每個實驗重復僅使用20枚卵細胞或胚胎，共鑒定超過6300種蛋白質（見圖1）。

圖1. 首幅著床前胚胎發育的跨物種深度蛋白質組景觀圖譜。

通過跨物種比較，研究團隊發現人類和小鼠的蛋白質動態差異主要集中在合子基因組激活前后（pre-ZGA和ZGA）。這一發現為理解物種間合子基因組差異性調控提供了蛋白質組層面的基礎。與清華大學頡偉團隊及合作者繪制的翻譯組圖譜聯合分析后，研究表明，相較于翻譯激活動態，蛋白質的動態變化可分為三種類型：同步、延遲和穩定。研究人員在小鼠母源-合子轉換（MZT）早期進行了翻譯抑制和蛋白降解抑制實驗，進一步驗證了觀察到的胚胎蛋白質組動態。

ZGA是早期胚胎發育一個關鍵事件，在此時期胚胎基因組首次出現大規模的轉錄，然而這些新的轉錄本的具體功能卻并不清晰。在進一步整合早期胚胎轉錄組和翻譯組信息后，研究人員對 ZGA 轉錄本進行了分類，并定義了兩種主要類型：增加型ZGA（increasing ZGA, I-ZGA）和瞬時型ZGA（transient ZGA, T-ZGA）。有趣的是，研究人員發現許多 T-ZGA 轉錄本產生的蛋白質會在轉錄和翻譯激活后持續積累，并在第一次譜系分化時期達到最高豐度。這類蛋白質被命名為“ZGA-burst protein”，其積累模式暗示它們可能在第一次譜系分化的調控中起到重要作用。為驗證這一點，研究人員選擇了數個符合這一動態規律的轉錄調控因子，在小鼠的一細胞階段進行了基因敲除實驗，并鑒定出多個新穎因子參與著床前胚胎的發育。轉錄組分析顯示，這些 ZGA 基因的缺失未影響 ZGA 階段的基因表達，但卻顯著阻礙了發育后期囊胚的形成，提供了關于 ZGA 如何調控第一次譜系分化的新證據。

隨后，研究人員進一步選擇了人類著床前低質量（poor quality, PQ）胚胎形成這一常見臨床事件來驗證發育蛋白質圖譜的應用價值。在臨床實踐中，PQ 胚胎的形成在同一患者之間存在異質性。為此，研究人員招募了超過 100 對輔助生殖患者，并對其產生的 140 余枚臨床上常規丟棄的 PQ 胚胎進行了單胚胎蛋白質組分析。在單胚胎水平，平均可鑒定出約 4800 種蛋白質。分析結果表明，不同捐贈者來源的優質（good quality, GQ）胚胎在蛋白質組層面表現出高度相似性；而即便是來自同一捐贈者的 PQ 胚胎，也可能被分為不同的亞型。除了母源蛋白質降解和新合成蛋白質增加方面的失調，這些 PQ 胚胎普遍表現出穩定蛋白質的失調。此外，研究還揭示了一些可能導致 PQ 胚胎形成的候選蛋白質。

圖2. 研究的主要內容。

總之，該研究在技術改進、資源挖掘、發現探索和臨床應用等方面進行了整合，為理解人類和小鼠的著床前胚胎發育，以及人類著床前發育失敗提供了新的視角、資源和思路。

中國科學院腦智卓越中心劉真研究員、孫怡迪研究員、朱文成博士，復旦大學附屬中山醫院生殖醫學中心木良善醫生，以及上海交通大學醫學院李辰研究員為該論文的通訊作者。中國科學院腦智卓越中心朱文成博士、研究生孟娟和劉文俊，溫州醫科大學附屬第一醫院生殖醫學中心李燕，上海交通大學醫學院研究助理顧蕾為共同第一作者。該工作還得到了其他團隊成員的大力幫助。中國科學院腦智卓越中心實驗動物平臺、光學成像平臺和分子細胞技術平臺對該研究提供了技術支持，溫州醫科大學附屬第一醫院生殖醫學中心提供了該研究中的人類卵細胞和早期胚胎樣本。該研究獲得了中國科學院、科技部、基金委、上海市和中國博士后科學基金會等的資助。