PGC-1α信号通路影响人类阻滞胚胎中线粒复制和活化的机制研究

Embryo developmental arrest is a common phenomenon in assisted reproduction. And one important reason for this is mitochondrial abnormalities in oocyte. In the process of somatic mitochondrial synthesis, the PGC-1α signaling pathway plays a central role. But since the limitation of embryo resources and the traditional assays, the PGC-1α regulation network and its function in human early embryonic development or the arrested embryo are still unclear. Our previous studies show that mitochondria in pre-implantation embryos gradually transform from rest state to active state during 8-cell stage, which becomes abnormal in the arrested embryo. So we speculated that PGC-1α signaling pathway plays an important role in mitochondrial dynamic changes during pre-implantation embryonic development. Based on this hypothesis, this project will focus on PGC-1α signaling pathway and its function in mitochondrial replication and activation by single cell sequencing technology. Furthermore, selected target genes would be validated utilizing RNAi technology. In brief, these would help elucidate the mechanism of dynamic changes about mitochondria during human pre-implantation embryonic development and finally improve the quality of embryos for assisted reproduction.

胚胎发育阻滞是辅助生殖中常见问题。而卵细胞线粒体异常是造成后续胚胎发育阻滞的重要原因。体细胞线粒体合成过程中，PGC-1α信号通路发挥中枢性调控作用，但受限于材料获取困难及传统的实验手段，人类早期胚胎发育过程中该信号通路的调控网络机制及其在阻滞胚胎中的影响尚不清楚。我们前期研究发现早期胚胎自8细胞期线粒体逐渐由静息转为活化状态，且在阻滞胚胎中此过程及PGC-1α信号通路相关基因转录均表现异常。由此推测，在早期胚胎发育过程中PGC-1α信号通路通过某种机制调控线粒体动态变化并且对胚胎发育具有重要作用。在此基础上，本项目将围绕PGC-1α信号通路，利用单细胞测序技术探索线粒体复制与活化过程中线粒体相关基因的表达情况，阐明人类早期胚胎发育过程中线粒体动态变化的调控机制及其对早期胚胎发育的影响，同时利用RNAi等技术选择相应靶标进行验证，为辅助生殖中提高胚胎质量提供依据。

胚胎发育阻滞是辅助生殖中常见问题，卵细胞及早期胚胎中线粒体功能及相关基因表达异常是导致胚胎发育阻滞的重要原因。通过本项目的实施，我们解析了线粒体相关基因以及PGC-1a信号通路基因在卵细胞成熟及早期胚胎发育过程中的独特表达模式，并进一步探究了其在导致卵子成熟障碍和胚胎发育阻滞中的机制。我们的研究发现，正常卵细胞的线粒体基因在MII期高表达，而GV期卵细胞线粒体相关基因的提前激活可能是导致PCOS患者卵子成熟障碍的原因。而早期胚胎发育过程中，SIRT1基因激活PGC-1a通路中mtDNA复制相关基因的表达，促使胚胎发育E3天即8细胞期线粒体DNA开始复制；E4天开始发生线粒体整体的复制和合成；E5天细胞中线粒体相关调控基因开始大量激活，细胞出现线粒体基因表达的异质性。qPCR定量等实验结果证实了卵细胞和早期胚胎中的线粒体数量的变化趋势。进一步利用人各发育阶段正常及阻滞胚胎的研究发现，PGC-1a信号通路的调控基因SIRT1及线粒体DNA复制基因NRF1、TFAM等基因在人类胚胎ZGA之前的提前激活，可能是导致胚胎阻滞的重要原因，从而解析和验证了人类卵子和早期胚胎中线粒体复制和活化的特征规律以及导致胚胎发育阻滞的潜在关键分子。进一步我们建立了可行的间充质干细胞线粒体分离和移植技术平台，并进行了未成熟卵母细胞的线粒体移植初探。. 此外，本项目在实施过程中还解析了线粒体在生殖医学疾病以及胚胎发育过程中的核心问题，包括甲状腺功能减退通过影响下丘脑-垂体-性腺轴的病理改变以及产生氧化应激导致生殖障碍；冷冻精子由于miR-148b-3p的下调引起其靶基因PTEN的上调，导致胚胎发育阻滞率上升；以及鉴定发现了围植入期滋养外胚层细胞分化发育的关键因子TBX3，并发现种植窗口期子宫内膜细胞血管生成基因的率先表达，这些研究为理解线粒体在早期胚胎中的作用以及胚胎早期发育提供了参考。