X染色体失活与异常胚胎发育相关性的分子机制研究

Spontaneous abortion is the major cause of early pregnancy failure, in which spontaneous abortion of female embryos is significantly more than that of male with a ratio of 3-4:1. One of the X chromosomes is inactivated in females. Our previous study showed that changes in the environment result in abnormal X chromosome inactivation in mice, and further lead to abnormalities in early embryonic development. However, little is known about the association of the environmental-change induced X chromosome inactivation with abnormalities of embryonic development and/or infertility by using assisted reproductive technology (ART). In this study, we will use embryos from both human and cynomolgus monkey to study X chromosome inactivation during early embryonic development in humans and primates based on our previous work published in Nature and Cell Stem Cell. By using single-cell high-throughput sequencing technology combined with bioinformatics, we will uncover the mechanisms of X chromosome inactivation and the dynamic expression patterns of X linked genes. Meanwhile, we will generate the XIST mutation model in cynomolgus monkey by CRISPR/Cas9 technique and study the correlation between X chromosome inactivation and abnormal embryonic development. Our study will find the important role that X chromosome inactivation plays in early embryonic development and provide new insights into the molecular mechanisms of human infertility.

自然流产是人类临床妊娠失败的主要原因，并且早期流产的女性胚胎明显多于男性（3-4:1）。正常雌性个体中两条X染色体一条维持失活状态。研究发现X染色体失活异常或紊乱会导致小鼠早期胚胎发育异常，我们前期研究证明体外培养环境的变化可以导致细胞X染色体失活状态发生改变。是否人类辅助生殖技术中，妊娠早期胚胎发育及着床环境的变化会导致X染色体失活状态发生改变，从而导致胚胎发育异常或流产的研究很少。本研究将在我们Nature和Cell Stem Cell论文相关研究的基础上，以人类及食蟹猴早期胚胎为研究对象，利用单细胞高通量测序技术结合生物信息学分析，深入剖析人类及灵长类动物早期胚胎发育过程中X染色体失活规律及X染色体连锁基因表达的动态变化。同时通过CRISPR/Cas9技术建立食蟹猴XIST基因缺陷的胚胎发育模型来研究X染色体失活和异常胚胎发育的相关性，为人类不育的分子机制提供新依据。

自然流产是人类临床妊娠失败的主要原因，且早期流产中女性胚胎明显多于男性（3-4:1）。雌性哺乳动物X染色体失活异常或紊乱可能是导致流产胚胎性别比例失衡的重要原因。目前妊娠早期胚胎发育及着床环境的变化与X染色体失活状态及胚胎发育异常或流产的关系尚不明确。本研究首先揭示了早期胚胎中人类X染色体失活规律，发现X染色体以及X连锁剂量补偿在植入前胚胎至植入后胚胎中一直稳定在一个相对恒定的水平，胚胎基因组激活（EGA）之后，X染色体与常染色体的转录水平相当，而不同胚胎中姐妹细胞之间呈现不同的X染色体的单倍型，说明了XCI过程在围着床期胚胎中的随机发生，并初步分析了早期胚胎中线粒体激活与X染色体失活的关系。进而对人类、食蟹猴及小鼠胚胎发育规律进行比较分析，找出了在三个物种中高度保守和单个物种独有的枢纽基因，如SIN3A, FAM46C, ARIH1等，以及一些在灵长类（人和猴）中高度保守的枢纽基因，包括转录调节因子WHSC1, CDCA7L, ZNF652等。在此基础上研究了胚胎发育及着床环境与发育异常及流产的关系，如光照剂量对小鼠早期胚胎发育影响及种植窗期胚胎滋养层细胞分化与着床的关系，发现高剂量光照显著降低胚胎囊胚形成率，并且在分子水平上发现这种影响在早期胚胎中是持续存在的，同时还会显著影响胚胎合子基因激活过程；同时建立了体外围着床期胚胎与子宫内膜共培养模型，系统分析该时期胚胎滋养层细胞分化发育过程，鉴定了调控该时期胚胎滋养层发育的关键调控模块，利用开发的SCBAV算法和体外验证等实验，发现了驱动胚胎滋养层细胞分化发育基因。此外，本研究还开发出检测同一单细胞转录组和DNA甲基化组的测序方法scMT-seq，为后续进一步开展胚胎发育及X染色体失活机制研究提高了有利研究工具。通过本项目实施，对哺乳动物胚胎发育规律、X染色体剂量动态变化规律及环境变化对胚胎发育及着床进行了系统分析，为深入理解早期胚胎发育过程中X染色体失活规律与流产胚胎中性别比例失衡、胚胎异常发育及着床等的关系及机制提供了重要参考。