2021年10月14日，清華大學藥學院胡澤平課題組與浙江大學醫(yī)學院干細胞與再生醫(yī)學中心張進課題組合作在《Nature Metabolism》上發(fā)表題為“Metabolic remodelling during early mouse embryo development”的研究論文。該論文通過超靈敏代謝組學及轉(zhuǎn)錄組學等技術(shù)描繪了小鼠著床前胚胎發(fā)育過程中的代謝重塑，并揭示了關(guān)鍵代謝物L-2-羥基戊二酸（L-2-hydroxyglutarate, L-2-HG）通過影響表觀遺傳修飾參與調(diào)節(jié)早期胚胎發(fā)育和細胞命運的分子機制。
代謝調(diào)控與胚胎發(fā)育、衰老、免疫等多種生理過程以及腫瘤等諸多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。代謝組學是研究代謝調(diào)控、闡明代謝機制的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)代謝組學技術(shù)仍存在靈敏度不足、代謝物覆蓋度窄等瓶頸，無法檢測到具有重要生物學活性的低豐度代謝物，通常需要百萬以上細胞的樣本量才能實現(xiàn)代謝組學分析。然而，干細胞、發(fā)育、免疫等領(lǐng)域的代謝研究可及樣本通常極為有限（如每只小鼠僅有約數(shù)千個造血干細胞），無法獲得現(xiàn)有技術(shù)通常所需的樣本量，成為嚴重制約代謝研究的主要矛盾和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對這一挑戰(zhàn)，胡澤平課題組長期致力于研發(fā)超靈敏、高精準的代謝組學技術(shù)，創(chuàng)建了一系列基于色譜-質(zhì)譜平臺的超靈敏靶向代謝組學和代謝流分析方法，率先實現(xiàn)了在微量（~5,000）造血干細胞中進行代謝組學分析[1]，并進一步發(fā)展了基于新型衍生化策略的更靈敏代謝組學技術(shù)[2]；以此為基礎(chǔ)開展了多項腫瘤及病毒感染等疾病的代謝重塑及機制研究[3-6]。
哺乳動物的早期胚胎發(fā)育過程，伴隨著細胞的分裂和增殖，以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和表觀遺傳重塑的急劇變化，細胞代謝在這個過程中也一定具有重要作用[7]。然而由于早期胚胎可及樣本量極少，難以采用常規(guī)代謝組學分析技術(shù)對其進行全景式分析研究，尚未見對早期胚胎進行系統(tǒng)性代謝研究的報道[8]。
在本研究中，基于胡澤平課題組前期建立的超靈敏靶向代謝組學方法，研究團隊首次在100個小鼠早期胚胎中開展代謝組學分析，探究了二細胞胚胎與囊胚的代謝特征差異。
研究發(fā)現(xiàn)，二細胞胚胎中甲硫氨酸、精胺/亞精胺和煙酰胺等代謝通路的代謝物水平升高，而囊胚中TCA循環(huán)和嘌呤代謝通路的代謝物上調(diào)。值得注意的是，TCA通路的重要代謝物α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG）在囊胚中呈現(xiàn)較高水平，而其競爭性代謝物2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutaric acid，2-HG）則在二細胞期胚胎中水平更高（圖1）。
圖1. 二細胞胚胎和囊胚的代謝特征差異
2-HG主要有D型和L型兩種鏡像異構(gòu)體。
研究團隊首先采用LC-MS技術(shù)鑒定了胚胎中檢測到的是通常生理條件下存在的L-2-HG。定量分析結(jié)果顯示卵母細胞中L-2-HG含量高達mM級，且隨著受精后胚胎的發(fā)育，L-2-HG含量逐漸降低。
基于這一發(fā)現(xiàn)，進一步的功能研究顯示在早期胚胎體外培養(yǎng)過程中添加外源性L-2-HG可阻礙胚胎的發(fā)育；而抑制發(fā)育過程中L-2-HG水平的降低，則可造成H3K4me3等組蛋白修飾擦除的阻滯（圖2）。此外，清除L-2-HG的L-2-羥基戊二酸脫氫酶(L2hgdh) 在二細胞胚胎后期表達量急劇上升。通過siRNA敲低L2hgdh的表達，可以造成L-2-HG水平上升，以及H3K4me3擦除的阻滯。
圖2. L-2-HG 的減少促進了早期胚胎發(fā)育過程中組蛋白甲基化的擦除
綜上，本研究通過對小鼠早期胚胎發(fā)育進行代謝組學研究，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學分析，系統(tǒng)繪制了哺乳動物早期胚胎發(fā)育的代謝重塑和代謝調(diào)節(jié)的過程。研究結(jié)果將有助于我們進一步深入了解早期胚胎發(fā)育的代謝調(diào)節(jié)過程。另外，本研究也有助于增進關(guān)于體外培養(yǎng)胚胎的營養(yǎng)條件如何影響胚胎發(fā)育的認識，從而為未來提升體外受精和胚胎培養(yǎng)等人工輔助生殖等關(guān)鍵技術(shù)的效率提供新知識。
清華大學藥學院博士生姚珂，浙江大學醫(yī)學院博士生趙靜，博士后余華、張玲、博士生徐雨雁為該論文的共同第一作者。清華大學藥學院胡澤平研究員、浙江大學醫(yī)學院張進研究員為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部“發(fā)育編程及其代謝調(diào)節(jié)”重點專項、國家自然科學基金委面上項目、清華-北大生命聯(lián)合中心等項目支持。
參考文獻
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8. Zhang, J., et al., Metabolism in Pluripotent Stem Cells and Early Mammalian Development. Cell Metab, 2018. 27(2): p. 332-338.
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-021-00464-x#citeas
