无论受精胚胎还是克隆胚胎，其在围着床期易发生妊娠丢失，通常仅有30%的胚胎能够顺利发育成动物个体（1）。胚胎着床失败是早期妊娠丢失的重要因素，胚胎着床由精密复杂的信号调控和表观遗传调控所决定，其分子机理的解析是动物繁殖学领域亟需解决的核心问题之一。胚胎发育至围着床期时，尚未植入子宫(pre-implantation)的囊胚中形成了数十个初始态(naive)的胚胎细胞，这些细胞具有分化成动物体内所有细胞的潜能，当胚胎植入子宫后(post-implantation)，naive细胞将向特定细胞类型进行分化变为激发态(primed)胚胎细胞。在naive-primed态过渡期间，naive态细胞的染色质结构及表观遗传修饰发生了全局重塑以抑制naive态细胞多能性基因的表达，激活早期分化基因，进而促进围着床期胚胎细胞谱系分离（2）。近期研究发现自噬介导的细胞凋亡可以消除围着床期胚胎的非整倍体细胞进而提高胚胎着床的成功率（3），但是自噬调控围着床期胚胎细胞谱系分离的机制尚未可知。
2022年3月20日，华中农业大学动科动医学院苗义良团队在Autophagy上发表题为“ATG7-mediated autophagy facilitates embryonic stem cell exit fromnaivepluripotency andmarks commitment to differentiation”的研究论文，揭示和阐明了围着床期胚胎谱系分离中选择性自噬与细胞命运决定的调控机制。
研究中主要利用Naïve-Primed胚胎干细胞转换和围着床期体内胚胎发育两种模型，在体外胚胎干细胞naive-primed转换模型中，通过构建mCherry-GFP-LC3双荧光报告细胞系，监测了naive态胚胎干细胞多能性转变过程中自噬通量的变化，证实了自噬对干细胞命运转变的决定性作用（图1）。另外，通过CRISPR/Cas9构建的ATG7敲除动物模型，评估了自噬丧失会损伤围着床期胚胎的着床过程，进而导致神经发育异常及死亡。进一步基于RNA-seq和染色质转座酶可及性测序（ATAC-seq）联合生物信息学分析，描绘了naive-primed转换过程染色质可及性动态变化规律，并发现细胞自噬阻断后NANOG作为阻止多能性转变的屏障，一方面抑制分化相关位点的开放，另一方面维持naive多能性基因位点的开放以抑制多能性退出。此外，通过染色质免疫共沉淀测序技术（ChIP-seq）证明了NANOG通过竞争性结合OTX2调控的特异性神经外胚层发育的相关区域来抑制神经元分化（图2）。
综上所述，作者从遗传、细胞和生化角度提供证据解析了选择性自噬对围着床期胚胎发育的调控可以促进胚胎着床以减少早期妊娠丢失。针对选择性自噬在围着床期胚胎发育中调控机制开发相关技术，对改善动物妊娠和构建naive态大动物胚胎干细胞具有重要意义。
图1：naive-primed转化过程中自噬流的动态变化
图2细胞命运转换过程中选择性自噬参与的蛋白稳态调控及染色质变化
华中农业大学动科动医学院副研究员周吉隆、博士生何海楠和张晶晶为论文的共同第一作者，苗义良教授为论文通讯作者。本研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
参考文献
1. Macklon NS, Geraedts JP, Fauser BC. Conception to ongoing pregnancy: the 'black box' of early pregnancy loss. Hum Reprod Update. 2002 Jul-Aug;8(4):333-43. doi: 10.1093/humupd/8.4.333. PMID: 12206468.
2. Respuela P, NikolićM, Tan M, Frommolt P, Zhao Y, Wysocka J, Rada-Iglesias A. Foxd3 Promotes Exit from Naive Pluripotency through Enhancer Decommissioning and Inhibits Germline Specification. Cell Stem Cell. 2016 Jan 7;18(1):118-33. doi: 10.1016/j.stem.2015.09.010. PMID: 26748758; PMCID: PMC5048917.
3. Singla S, Iwamoto-Stohl LK, Zhu M, Zernicka-Goetz M. Autophagy-mediated apoptosis eliminates aneuploid cells in a mouse model of chromosome mosaicism. Nat Commun. 2020 Jun 11;11(1):2958. doi: 10.1038/s41467-020-16796-3. PMID: 32528010; PMCID: PMC7290028.
原文链接
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15548627.2022.2055285