多能干细胞和早期胚胎发育的代谢调控

The mammalian early embryo development is accompanied with cell fate decision and cell division/proliferation. Cell fate changes are determined by the underlying genetic and epigenetic regulation, and cell division/proliferation is dependent on cellular metabolic regulations. How does epigenetic regulation and metabolic regulation are coordinated with each other to promote embryo development, still has many unanswered questions. Our previous research has identified significant difference of epigenetic modification and metabolic regulation between pre-implantation naive pluripotent stem cells and post-implantation primed stem cells. Particularly, the one-carbon metabolism pathway can influence histone methylation as well as nucleotide synthesis through key intermediate metabolites such as SAM (S-Adenosyl-Methionine), thereby regulating cell fate decision and stem cell self-renewal. Based on the previous findings, we aim to carry on further in-depth studies to solve the following questions: (1) how is metabolic network reprogrammed during in vivo early embryogenesis; (2) how does the upstream pluripotent factors regulate metabolic reprogramming; and (3) what are the mechanisms that metabolic pathways can influence epigenetics modifications and thus regulate gene regulation and cell fate decision. Answering these questions will help us to better understand the key events and mechanisms during mammalian early embryo development.

哺乳动物早期胚胎发育伴随着细胞命运的决定和细胞的分裂与增殖。细胞命运是由基因和表观遗传学的调控决定的，而细胞的分裂与增殖则要依赖于细胞内的代谢活动。基因和表观的调控与代谢调控是如何协同作用，共同促进早期胚胎的发育以及胚胎干细胞的命运决定的，还有很多尚未解决的问题。我们的前期研究发现，着床前胚胎对应的naive状态的多能干细胞与着床后胚胎对应的primed状态细胞在代谢和表观遗传修饰上具有显著差异。尤其一碳代谢通路能通过影响重要代谢中间产物比如SAM影响组蛋白甲基化和核苷酸的代谢，进而影响细胞的命运决定和自我更新。在此基础上，我们将系统研究以下三个问题：（1）在体内发育的胚胎的代谢重塑是如何进行的；（2）上游的多能性因子和发育因子如LIN28, ESRRB是如何调控代谢网络的；（3）重要代谢通路是如何通过影响表观遗传修饰影响基因表达和细胞命运的。这将使我们更好的理解早期胚胎发育的过程。

代谢是生物体内能量物质和生物组成物质相互有序作用形成的信号网络，对于细胞的生命活动非常重要。哺乳动物早期胚胎发育过程，尤其是受精到着床期间的发育过程，伴随着细胞的分裂和增殖，以及基因调控网络和表观遗传重塑的急剧变化，细胞代谢在这个过程中也一定具有重要的作用。目前人们对体外培养的多能干细胞（Pluripotent stem cells, PSCs) 的代谢调控有大量的研究，而早期胚胎的代谢研究由于可及样本有限且缺乏高灵敏度代谢组学技术的挑战，尚缺乏系统性的研究报道。我们的研究通过代谢组学、转录组学分析等手段研究了小鼠二细胞胚胎和囊胚的代谢特征，并研究了重要差异代谢物L-2-羟基戊二酸( L-2-Hydroxyglutarate, L-2-HG)在早期胚胎发育过程中通过影响H3K4me3甲基化的擦除影响胚胎的发育的分子机制。我们分析了小鼠卵子、植入前胚胎以及植入后胚胎的转录组，构建了早期胚胎发育过程中的代谢基因调控网络，鉴定了调控代谢的发育基因及转录因子。研究发现随着胚胎发育，代谢调控网络复杂程度逐渐增加，以OxPhos为代表的代谢通路逐渐增强等特征。同时，我们在此前开发的高灵敏度靶向代谢组学方法的基础上进一步优化代谢组学技术，由此鉴定了早期胚胎发育过程中代谢组的动态变化，比较了二细胞胚胎与囊胚的代谢特征。同时研究了体外二细胞样细胞（2C-like cell, 2CLC）与胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）的代谢特征。研究结果将有助于我们进一步了解早期胚胎发育的代谢调节的过程，另外，也有助于增进对体外培养胚胎的营养条件如何影响胚胎发育的认识，从而为未来提升体外受精和胚胎培养等人工辅助生殖等关键技术的效率提供新的知识。