哺乳动物的生命起始于卵子和精子通过受精作用形成全能性的受精卵，经过一系列的细胞分裂、八细胞期的极化、以及随后的桑葚胚开始的谱系分化，形成包含有内细胞团(ICM)、原始内胚层(PE)和滋养外胚层(TE)的囊胚。这一过程伴随着显著的代谢重塑，比如从早期卵裂时期的相对比较静息的状态(此时的胚胎依赖于丙酮酸和乳酸)，到后期囊胚时期的相对比较活跃的状态(此时多用葡萄糖的氧化代谢作为营养物质的来源)。2021年张进课题组和胡泽平课题组联合报道了小鼠二细胞时期和囊胚期胚胎的代谢图谱，并探索了代谢物L-2-HG参与早期表观遗传重塑的潜在机制。除了小分子代谢物之外，细胞中存在种类繁多的脂质分子，然而，脂质代谢对哺乳动物早期胚胎发育的调控作用还不清楚。
2024年2月1日，浙江大学基础医学院/浙江大学医学院附属第一医院/良渚实验室张进团队，中国科学院遗传与发育生物学研究所税光厚团队，中国医科大学附属盛京医院生殖医学中心李达团队在 Nature Cell Biology 期刊上发表了题为 "Low input lipidomics reveals lipid metabolism remodelling during early mammalian embryo development "的研究论文，该项工作系统描绘了小鼠和人早期胚胎发育过程中动态变化的脂质图谱，并阐明了脂质不饱和度调控胚胎发育的功能与机制。
首先，研究人员通过高分辨率质谱靶向脂质组学分析平台，实现了在少量胚胎(120个植入前胚胎)水平上进行代谢物的检测，可以鉴定到23大类脂质共300余种脂质分子，包括甘油磷脂、鞘脂和中性脂。
图1 小鼠植入前胚胎发育的阶段特异性脂质组学特征
为了了解植入前胚胎发育过程中每个脂质类别的动态变化和功能，研究人员将检测到的脂类分为三大类，第一类是鞘氨醇脂质，主要由神经酰胺、鞘磷脂(SMs)和鞘糖脂(GSLs)组成，在细胞膜上形成专门的微结构域，促进信号转导。分析表明，大多数SM脂质分子在向囊胚发育的过程中变得更加富集，并且(SM+Cho)/PC指示脂筏微结构域的比率在这个过程中增加，表明在发育过程中，脂筏的形成增加，从而适应囊胚时期增强的信号转导;第二类是磷脂，磷脂是细胞膜的主要成分，以磷脂酰胆碱(PCs)的含量在每一个时期中最为丰富。分析发现，PCs的丰度呈双峰分布，在卵母细胞和囊胚阶段具有更高的水平，特别是在囊胚阶段富集了更多具有不饱和脂肪酰基链的PC(PC38-PC42)，磷脂酰乙醇胺(PEs)的丰度自卵母细胞开始稳步下降，与PCs不同，其在囊胚中没有表现出再升高。PC和PE主要存在于质膜的外叶和内叶中，因此，这些结果表明在发育过程中特异的膜成分的动态重塑;第三类是中性脂，甘油三酯(TAG)的含量在四细胞开始至囊胚期有明显的增加，TAG是脂滴的主要成分，主要功能之一是提供能量，提示TAG可以为后期氧化活动的增强提供原材料。
此外，磷脂的组成和不饱和度对膜的流动性有很大影响，脂质组学分析显示，随着发育的进行，碳碳双键的数量和碳链长度均增加。与二细胞期胚胎相比，多不饱和的脂质在囊胚中更加富集。
而在人类早期胚胎发育过程中，由于实验材料的稀缺，内源的代谢物和脂质分子的动态变化及其对胚胎发育的影响还鲜有研究。在上述以小鼠为模式生物研究的基础上，研究人员对人的八细胞胚胎和囊胚期胚胎进行了脂质组学检测，发现从脂质种类到发育过程中脂质变化趋势(如TAGs，CLs增高，PEs，PIs下降)以及不饱和度增高方面均存在物种之间的保守性。
研究人员进一步通过转录组学分析，发现ICM阶段的脂代谢基因富集了用于合成不饱和脂肪酸的基因，其中去饱和酶SCD1在囊胚期的表达最为丰富，通过遗传学的方法，研究人员发现下敲Scd1降低了囊胚的形成率，在培养液中添加油酸可以有效的挽救囊胚形成，证明Scd1介导的脂质的单不饱和度增加是囊胚形成的重要因素。
图2 去饱和酶SCD1有助于囊胚的形成以及顶端-基底端极性的建立
该研究进一步探索了脂质不饱和度如何调控囊胚形成的分子机制。研究表明，在八细胞胚胎形成后，会产生卵裂球极性建立的现象，该过程由一系列精密调控的极性蛋白(aPKC, Ezrin)、细胞骨架蛋白(keratin8，keratin18)和脂质分子(PIP2)协同完成。在八细胞胚胎向囊胚发育的过程中，Ezrin和Actin等蛋白都会通过在质膜上的侧向流动，从顶端结构域转移到基底端。研究人员发现下敲Scd1可以减弱Ezrin蛋白在质膜上的流动，导致骨架蛋白keratin8/18的分布不正确，影响胚胎发育正常进行。而这一现象在体外胚胎干细胞ESC和TSC中有类似的结果，此外，在胚胎干细胞中添加去饱和酶抑制剂显示减少类囊胚形成，验证了脂质不饱和度上调对囊胚形成的必要性。
图3 脂质不饱和度调控卵裂球极性的建立和囊胚的形成
浙江大学的张进教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所税光厚研究员，中国医科大学附属盛京医院生殖医学中心李达教授为本文的通讯作者，浙江大学良渚实验室特聘副研究员张玲，浙江大学良渚实验室特聘副研究员赵静，中国科学院遗传与发育生物学研究所Sin Man Lam研究员, 浙江大学博士生陈浪，中国医科大学附属盛京医院生殖医学中心助理研究员高应卓，浙江大学博士生王文杰为本文的共同第一作者，浙江大学叶存奇研究员，李炫臻研究员，周全研究员，沈宁研究员为本研究提供了重要帮助。研究受到了国家自然科学基金委，浙江省自然科学基金委的支持。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41556-023-01341-3
张进团队一直致力于代谢调控哺乳动物早期胚胎发育的研究，深耕积累了一系列研究成果，相关工作先后发表在Cell Metab (2018), Nat Metab (2021), Development(2023), Nat Cell Biol (2024) 杂志上。
该团队在2018年2月在 Cell Metabolism 上发表了“Metabolism in Pluripotent Stem Cells and Early Mammalian Development”的综述，阐述了多能干细胞中代谢通过影响表观遗传修饰参与基因调控，代谢通路调控在胚胎发育和干细胞命运决定中的作用，并提出绘制哺乳动物早期胚胎发育中代谢图谱的重要意义。
2021年10月, 该团队与清华大学的胡泽平课题组合作，在Nature Metabolism上发表了题为“Metabolic remodelling during early mouse embryo development”的研究论文。系统绘制了小鼠早期胚胎发育过程中二细胞和囊胚期的小分子代谢物图谱，并探索了代谢物L-2-HG参与调控早期表观遗传修饰的潜在分子机制。
2023年10月该团队在Development 上发表了题为“Dynamic metabolism during early mammalian embryogenesis”的综述，总结了哺乳动物卵母细胞和早期胚胎发育过程中的代谢特点，并提出了“发育代谢物”调控发育的观点。
2024年1月该团队在Nature Cell Biology 上发表的“Low input lipidomics reveals lipid metabolism remodelling during early mammalian embryo development” 的研究论文，系统地描绘了小鼠和人早期胚胎脂质全景图，为研究哺乳动物植入前胚胎发育中内源性脂质的重塑提供了宝贵的资源，并为脂质不饱和度调节胚胎发育和植入提供了机制上的新的见解。
张进，浙江大学求是特聘教授，长聘教授，博士生导师，良渚实验室核心PI。国家中组部万人计划科技创新领军人才, 浙江省杰青, 杭州市521领军创新人才。中国细胞生物学会代谢分会青年委员会副秘书长。浙江省细胞基因治疗与基因组医学工程研究中心副主任。实验室长期从事哺乳动物早期胚胎发育的代谢调控，以及多能干细胞分化Mac, NK等免疫细胞的转化研究。研究工作发表于Nature Immunology(2023) , Nature Cell Biology(2024), Nature Metabolism(2021), PNAS(2023), Cell Metabolism(2018), Nature Communications(2021,2023,2024)等知名学术期刊。因实验室发展需要，现招聘生物信息学，肿瘤免疫，代谢，发育生物学等研究领域的博士后2-3名。岗位要求：工作细致，有较强的独立科研工作能力，执行力，组织协调能力和团队合作精神，具备较强的英文写作能力。有意向者请将个人简历发送至zhgene@zju.edu.cn。