一,、研究背景：胚胎發(fā)育中的“糖密碼”
在生物學(xué)領(lǐng)域,，蛋白質(zhì)功能受多種化學(xué)修飾調(diào)節(jié),，其中糖基化修飾備受關(guān)注。不同于復(fù)雜的細(xì)胞外糖鏈,，O-GlcNAc(O-連接的 N-乙酰葡萄糖胺)作為一種可逆的單糖修飾,，廣泛存在于RNA聚合酶II、轉(zhuǎn)錄因子等關(guān)鍵蛋白上,，以及在細(xì)胞內(nèi)數(shù)千種蛋白質(zhì)上發(fā)揮作用,，涉及從糖酵解至細(xì)胞周期、轉(zhuǎn)錄及翻譯等眾多基礎(chǔ)細(xì)胞活動(dòng),，可能介導(dǎo)基因表達(dá)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。
哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育階段,，會(huì)經(jīng)歷諸多代謝變化且依賴O-GlcNAc 修飾相關(guān)酶存活,。此前研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)添加O-GlcNAc的酶OGT是胚胎存活所必需的,，但其缺失會(huì)導(dǎo)致胚胎在囊胚期死亡,，這暗示O-GlcNAc可能參與調(diào)控早期胚胎的基因激活或代謝適應(yīng)。然而,，這種修飾在胚胎發(fā)育中的具體功能一直是個(gè)謎,。
小鼠早期胚胎從受精卵到植入前，主要依靠卵母細(xì)胞提供的 RNA 和蛋白質(zhì),，隨后會(huì)進(jìn)行全基因組重編程,，包括染色質(zhì)組織改變、轉(zhuǎn)錄組重構(gòu)(母源轉(zhuǎn)錄本降解與胚胎基因組激活),。同時(shí),，蛋白質(zhì)組也會(huì)重構(gòu)，涵蓋動(dòng)態(tài)的翻譯后修飾,，其中細(xì)胞內(nèi)糖基化修飾 ——O-GlcNAcylation 尤其值得深入探究,。本研究揭示了核內(nèi)O-GlcNAc的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)小鼠早期胚胎發(fā)育速度的調(diào)控作用。
二,、研究?jī)?nèi)容：胚胎發(fā)育核糖基化修飾
本研究聚焦于小鼠植入前胚胎發(fā)育階段核糖基化修飾的動(dòng)態(tài)變化及其功能,。旨在深入探究在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期——從受精卵形成至植入前，O-GlcNAc 修飾在細(xì)胞核內(nèi)的積累規(guī)律,、與胚胎基因組激活(EGA)的時(shí)序關(guān)系,，以及其對(duì)胚胎發(fā)育進(jìn)程的影響，包括對(duì)基因轉(zhuǎn)錄,、蛋白質(zhì)合成,、細(xì)胞分裂等關(guān)鍵生理過程的作用機(jī)制，進(jìn)一步揭示核糖基化修飾在早期胚胎發(fā)育中的功能和調(diào)控機(jī)制,，為生殖醫(yī)學(xué)和發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域提供新的理論基礎(chǔ),。
三,、研究方法：精準(zhǔn)靶向核內(nèi)糖基化
1、動(dòng)態(tài)觀測(cè)：通過免疫熒光技術(shù),，系統(tǒng)分析了O-GlcNAc及其相關(guān)酶(OGT,、OGA)在小鼠胚胎不同發(fā)育階段的分布模式。
2,、功能干預(yù)：設(shè)計(jì)核定位的細(xì)菌O-GlcNAcase(BtGH84),，顯微注射至受精卵中，特異性去除核內(nèi)O-GlcNAc,，同時(shí)設(shè)置無(wú)活性突變體(dBtGH84)作為對(duì)照,。
3、多組學(xué)分析：結(jié)合單胚胎轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(mRNA-Seq),、胚胎移植實(shí)驗(yàn)及形態(tài)學(xué)評(píng)估,，全面解析表型與分子機(jī)制。
四,、研究路線：從觀察到驗(yàn)證
1,、動(dòng)態(tài)圖譜繪制：從受精卵到囊胚期，追蹤O-GlcNAc的核內(nèi)富集規(guī)律,，發(fā)現(xiàn)其在2細(xì)胞階段顯著增加,，與胚胎基因組激活(EGA)同步。
2,、功能缺失實(shí)驗(yàn)：通過BtGH84去除核內(nèi)O-GlcNAc,，發(fā)現(xiàn)胚胎仍能形成囊胚，但發(fā)育速度明顯減緩,。
3,、機(jī)制解析：轉(zhuǎn)錄組分析顯示，核糖體蛋白基因表達(dá)下調(diào),，細(xì)胞周期檢查點(diǎn)基因上調(diào),，但未導(dǎo)致染色體異常。
4,、體內(nèi)驗(yàn)證：將處理后的胚胎移植至假孕母鼠,，發(fā)現(xiàn)植入后胚胎體積更小，轉(zhuǎn)錄組呈現(xiàn)“發(fā)育延遲”特征,。
五,、突破性結(jié)果：糖基化決定發(fā)育節(jié)奏
1,、O-GlcNAc與OGT動(dòng)態(tài)解耦聯(lián)：數(shù)據(jù)顯示,，在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中，OGT和O-GlcNAc的分布呈現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化,。在合子階段,，OGT在父源原核中的信號(hào)強(qiáng)度高于母源原核,，而O-GlcNAc在雙原核中的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng),。從2-細(xì)胞期胚胎開始，O-GlcNAc在細(xì)胞核中的富集程度顯著增加,，且這種核/胞質(zhì)信號(hào)比的變化與OGT的分布不同,。
圖1、OGT和O-GlcNAc在小鼠著床前發(fā)育過程中的解耦合動(dòng)力學(xué)
2,、核內(nèi)O-GlcNAc 耗竭對(duì)胚胎發(fā)育的影響：通過向合子中注射Btgh mRNA 實(shí)現(xiàn)核內(nèi)O-GlcNAc的高效去除,。結(jié)果顯示，核內(nèi)O-GlcNAc的缺失并未影響胚胎基因組激活(EGA),，但會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育延遲,，從2-細(xì)胞階段開始，胚胎分裂速度減緩,，植入后胚胎體積顯著小于對(duì)照組,，且基因表達(dá)呈現(xiàn)早期階段特征(如DNA甲基化酶上調(diào))，了此前關(guān)于其調(diào)控轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的假設(shè),。在形態(tài)學(xué)上，核糖基化耗竭的胚胎平均尺寸更??；分子層面，與翻譯相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)受阻,，同時(shí)觸發(fā)紡錘體檢查點(diǎn)響應(yīng),。
圖2 小鼠胚胎核中O-GlcNAc的有效酶解
圖3 核內(nèi)O-GlcNAc耗竭決定了發(fā)育的節(jié)奏
如4 核內(nèi)O-GlcNAc并未影響EGA
3、對(duì)翻譯相關(guān)基因和細(xì)胞周期的影響：盡管核內(nèi)O-GlcNAc耗竭未顯著影響EGA,，但在EGA后的2-細(xì)胞期胚胎中,，翻譯相關(guān)基因的表達(dá)發(fā)生了廣泛變化，尤其是編碼核糖體蛋白以及翻譯起始和mRNA代謝相關(guān)因子的基因表達(dá)顯著下調(diào),。在后續(xù)的桑葚胚和囊胚階段,，與核糖體相關(guān)的基因表達(dá)變化與正常發(fā)育胚胎的動(dòng)態(tài)相反，表明核糖基化修飾缺失導(dǎo)致胚胎發(fā)育延遲,。
圖5 核內(nèi)O-GlcNAc缺失胚胎中有絲分裂和翻譯相關(guān)基因的錯(cuò)誤調(diào)控
六,、研究結(jié)論：代謝修飾調(diào)控發(fā)育速度
本研究通過精確操控小鼠早期胚胎中核糖基化修飾水平，揭示了 O-GlcNAc 修飾在早期胚胎發(fā)育中的關(guān)鍵作用,。核糖基化修飾的改變與早期胚胎發(fā)育速度緊密相關(guān),，核糖基化修飾作為一種對(duì)營(yíng)養(yǎng)敏感的翻譯后修飾，在早期發(fā)育中扮演著重要角色,，其動(dòng)態(tài)變化與胚胎發(fā)育階段的代謝需求和基因表達(dá)調(diào)控密切相關(guān),。這一發(fā)現(xiàn)為理解早期胚胎發(fā)育的分子機(jī)制提供了新的視角，也為生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究提供了新的理論基礎(chǔ)和潛在的干預(yù)靶點(diǎn),。
這項(xiàng)研究不僅加深了我們對(duì)早期胚胎發(fā)育中糖基化修飾作用的理解,，還為未來(lái)在生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能的新方向,，有助于探索治療不孕癥和改善輔助生殖技術(shù)的新策略。
七,、科學(xué)研究展望：O-糖基化修飾調(diào)控疾病發(fā)生發(fā)展的節(jié)奏
O-GlcNAc修飾的“調(diào)速”功能可能廣泛存在于物種間,，甚至與腫瘤細(xì)胞的快速增殖相關(guān)。未來(lái)研究可進(jìn)一步探索：
特定O-GlcNAc修飾蛋白(如核糖體組裝因子)如何調(diào)控翻譯效率,；
代謝擾動(dòng)(如高糖環(huán)境)是否通過糖基化影響胚胎發(fā)育,、或者其他疾病的進(jìn)展；
開發(fā)O-GlcNAc動(dòng)態(tài)示蹤技術(shù),，實(shí)時(shí)觀測(cè)胚胎代謝狀態(tài),，以及疾病病變的過程。
論文信息：
Formichetti S et al. Perturbing nuclear glycosylation in the mouse preimplantation embryo slows down embryonic development. PNAS (2025).
DOI: 10.1073/pnas.2410520122
