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辅助生殖技术为众多不孕不育症患者带来了孕育新生命的曙光。但即使经过多年的发展，体外受精（IVF）技术的成功率依然有限。如果能对胚胎质量进行准确的早期评估，将帮助人们选出最具发育潜能的胚胎进行移植、提高IVF妊娠的成功率。目前，对胚胎质量的评估主要基于无创的形态学观测；近年来，胚胎培养延时摄像系统的临床应用将这一过程升级为动态观测与评估。但无论是传统形态学还是形态动力学，其提供的胚胎健康和发育潜力信息依然很有限。相比之下，基因表达数据可以为胚胎发育提供更加精准、定量的信息。人类着床前胚胎的发育，受到多个基因协调表达的调控。对基因表达模式的评估，应该能够提供关于胚胎畸变与异常的重要线索。要实现这一点，科学家们首先需要解决的一大挑战是，用无创的手段取代目前侵入式的转录组测序，以避免对胚胎的损伤。打入细胞内部不可取，好在胞外空间里藏着由胞内“泄漏”出的重要信息，这就是由部分细胞内RNA释放出的细胞外RNA（exRNA）。在一项发表于Cell Genomics的最新研究中，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）钟声课题组正是从exRNA中窥探到胚胎内部的秘密——利用课题组近期开发的全新测序技术，仅仅从微量的IVF培养液中，就能构建出人类着床前发育的时间转录组图谱，为胚胎发育过程中的生理状态提供了重要评估。钟声教授与UCSD妇产科教授Irene Su为论文共同通讯作者。对于最新进展的临床应用前景，钟声教授点评道：“这项临床研究为无创判断试管胚胎的成活能力打下了基础。未来培养液中的exRNA可能成为形态学以外的辅助手段，帮助选择成活概率更大的试管胚胎。此外在伦理上，需要注意保护个人包括胚胎的基因序列信息。”尽管参与正常生长发育调控的exRNA至关重要，但目前科学界对IVF培养液中exRNA仍缺乏系统性研究，其中存在的源自编码基因的RNA也是未知数。究其原因，目前的exRNA测序需要大量体液样本，但IVF广泛采用的微滴培养法意味着，其能提供的样本体积，以及其中释放exRNA的细胞数量都远不能满足要求。解决上述挑战的工具，正是钟声课题组开发的“微量体液测序技术”（SILVER-seq）。SILVER-seq技术最大的优势在于，仅需一滴（5~10 μL）的液体活检样本，即可对其中的exRNA进行准确的测序。近年来，钟声教授与合作者已经利用SILVER-seq，先后通过一滴血液中的exRNA识别乳腺癌患者，以及在无症状期预测出阿尔茨海默病。（相关阅读：PNAS：“一滴血”就能区分癌症病人？加州大学团队带来微量测序新突破）在最新研究中，钟声课题组将该技术应用于已经完成培养使命的IVF培养液，分别描述了在卵母细胞、受精卵、8细胞期、桑椹胚和囊胚这5个发育阶段的细胞外转录组特征。通过测序，研究团队得到了来自245份微滴样本的高质量exRNA测序数据集，它们共同构成了人类着床前发育的时间细胞外转录组图谱（temporal extracellular transcriptome atlas, TETA）。值得一提的是，在每个发育阶段，exRNA都由大约4000个基因转录而来，其中超过半数为编码基因，因此在IVF培养液中由编码基因转录而来的RNA广泛存在。这份数据集也首次包含了人类卵母细胞与受精卵的细胞外转录组。下一个问题是，在那些顺利发育与发育停滞的胚胎中，是否可以找到与发育停滞相关的exRNA及相应基因？研究团队对比发现，有23个exRNA在发育停滞的培养液中含量更高，而转录生成这些exRNA的DNA也被称作停滞相关exRNA（arrest-correlated exRNA, ACE）基因。在23个ACE基因中，10个属于编码基因。其中相关性最为显著的两个基因分别是GPC3和BRINP3，它们在G1期与S期之间负性调控细胞周期。由此，这些发现揭示了发育停滞的exRNA特征。此外，研究团队还发现exRNA水平可以作为评估胚胎质量的预测指标。利用测得的exRNA水平训练机器学习模型后，基于形态学评估，模型展现了预测胚胎质量的良好准确性。这些结果证实了exRNA分析作为一种非侵入性工具，在临床IVF环境中评估胚胎活力的潜力，为提升IVF成功率开辟了新的道路。[1] Q.Y. Wu, Z.X. Zhou et al., A temporal extracellular transcriptome atlas of human pre-implantation development. Cell Genomics (2024). DOI: 10.1016/j.xgen.2023.100464本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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