喬杰院士團隊發(fā)表人體外成熟卵母細胞單細胞測序成果

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2018-03-06

卵母細胞體外成熟是輔助生殖領域已開展近30年的一項重要技術，在預防卵巢過度刺激綜合征，保存女性生育力，拓展輔助生殖技術應用領域等展現(xiàn)出巨大的應用價值。

在嚙齒類及家畜等動物中，卵母細胞經(jīng)過體外成熟后，依然可以保持較高的發(fā)育潛能，但是人類輔助生殖臨床中發(fā)現(xiàn)，體外成熟卵母細胞發(fā)育潛能較差，形成胚胎的流產率相對較高，且尚無公認的有效改善措施。此前有多項研究揭示小鼠卵母細胞成熟過程中的關鍵分子，然而對人類卵母細胞成熟過程中的分子表達特征尚不明確。

2月27日，北京大學第三醫(yī)院喬杰院士團隊的李蓉教授、于洋副研究員與廣州醫(yī)科大學附屬第三醫(yī)院范勇教授，昆明理工大學譚韜副教授團隊合作，在Antioxidants & Redox Signaling雜志在線發(fā)表題為“Single-cell transcriptomics of human oocytes: environment-driven metabolic competition and compensatory mechanisms during oocyte maturation”的研究成果，揭示了體外培養(yǎng)影響人卵母細胞成熟及發(fā)育潛能的關鍵分子及其作用機制。

在該研究中，研究者在倫理委員會指導下，通過來自于3名女性捐贈的6枚卵母細胞（每名女性捐贈1枚成熟與1枚不成熟卵母細胞），利用單細胞轉錄組測序技術，從整體水平上，對體外成熟卵母細胞中的RNA表達特征進行了闡述，并利用小鼠模型、干細胞模型、人類樣本等，從基因、亞細胞結構、細胞發(fā)育等不同層面，系統(tǒng)揭示了代謝通路關鍵分子ACAT/HADHA-DPYD在維持卵母細胞發(fā)育潛能方面扮演重要的角色。

首先，研究者利用高通量測序與生物信息學分析手段，明確代謝通路的改變是體外成熟卵母細胞與體內成熟卵母細胞的最典型差異。進而，通過多種篩選手段，包括與不同質量的體內成熟卵母細胞比較、物種間比較等，明確三種與輔酶A相關的酶編碼基因（ACAT1、HADHA、DPYD）是潛在影響體外成熟卵母細胞發(fā)育潛能的靶標分子（下圖）。

篩選與人體外成熟卵母細胞發(fā)育潛能相關的靶標分子

其中，ACAT1和HADHA協(xié)同調控三羧酸循環(huán)的底物乙酰輔酶A與琥珀酸的生成，間接影響三羧酸循環(huán)的效率，導致線粒體功能不足。同時發(fā)現(xiàn)，三羧酸循環(huán)酶類的激活劑鈣離子在體外成熟卵母細胞中濃度降低，再次提供證據(jù)表明體外成熟卵母細胞線粒體功能及能量代謝異常。

然而，為維持發(fā)育的進行，卵母細胞在鈣離子攝入障礙的情況下，內源鈣離子釋放，實現(xiàn)鈣離子濃度代償。同時，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸轉氫酶（NNT）編碼基因上千倍上調表達，促進體內NADH與NADP+的生成。一方面NADH可以提供額外的能量供卵母細胞成熟發(fā)育，緩解線粒體功能失調導致的NADH生成減弱，維持其細胞質的生物學功能；另外一方面，NADP+的生成上調DPYD表達，對體外成熟卵母細胞中出現(xiàn)的異常DNA雙鏈斷裂進行修復，維持其細胞核的生物學功能。

綜上所述，研究者首次利用嚴格的對照，排除不同人群遺傳的潛在影響，從組學篩選到靶標分子的生物學功能鑒定的系列實驗中，明確人體外成熟卵母細胞從受損到功能代償?shù)姆肿訖C制。研究在提示輔助生殖技術每一步操作都潛在對生殖細胞產生影響的同時，也為輔助生殖技術的持續(xù)優(yōu)化提供了理論基礎。

據(jù)悉，北京大學第三醫(yī)院2011級博士生趙紅翠為本文的第一作者，2017級博士生李天杰，趙越副研究員，昆明理工大學譚韜副教授為本文共同第一作者，北京大學第三醫(yī)院李蓉教授為該論文的通訊作者，于洋副研究員，廣州醫(yī)科大學附屬第三醫(yī)院的范勇教授為共同通訊作者。

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