撰文 | 十一月
正確的胚胎植入前發育對於植入過程至關重要，小鼠胚胎發育的活體成像發現了驅動小鼠胚胎早期發育的關鍵事件，但是由於基因操作的限制以及活體成像方法的缺乏而很難在人類中進行研究。
2023年7月5日，美國賓夕法尼亞大學Nicolas Plachta研究組與Igenomix基金會Carlos Simon以及波士頓IVF-Eugin研究組合作在Cell上發表了文章Human embryo live imaging reveals nuclear DNA shedding during blastocyst expansion and biopsy，通過結合熒光染料以及實時活體成像揭示人類胚體發育過程以及染色體分離動力學特徵，同時發現了人類胚胎非整倍體的出現源自於染色體分離的錯誤以及核DNA脫落。
全球生育率下降，因此體外受精（in vitro fertilization，IVF）的嬰兒出生數量呈現指數性增長。因此了解人類胚胎植入前機制對於胚胎發育以及胚胎質量的衡量是非常關鍵的。但是目前通過基因操作以及微量注射DNA或者mRNA到人類胚胎中限制頗多，因此沒辦法在人體胚胎中進行熒光蛋白的表達從而實現活體成像。另外，大多數捐贈的人體胚胎處於囊胚期，已經發育到100-200個細胞階段，也沒辦法進行顯微注射。因此，作者們思考如何進行人類胚胎的活體成像。
為了創建無侵入性活體成像，作者們首先在活體胚胎植入前嘗試可透性的熒光染料，其中SPY650-DNA可以用於標記基因組DNA，而SPY55-actin用於標記肌動蛋白，兩種熒光標記具有很高的訊雜比。此外，細胞週期持續時間、發育時間以及囊胚進展在熒光染料染色與未染色的胚胎中結果相似。這些結果說明了SPY650-DNA以及SPY55-actin可透性染料用於活體成像的無害性。另外，兩種染色染色的結果與顯微注射組蛋白H2B mRNA H2B-GFP以及肌動蛋白Utr-RFP所得到的標記結果類似（圖1）。因而通過使用高通透性染料作者們實現了避免遺傳操作進行活體胚胎成像的目標。
圖1 無入侵性、無顯微注射的人體胚胎活體成像
通過對人體胚胎活體成像，作者們發現人體囊胚發育細胞分裂過程中會出現錯誤，染色體滯留（Lagging chromosomes）並最終形成微核。與小鼠胚胎發育不同的是，人類胚胎的非整倍體不僅源於有絲分裂期染色體分離錯誤，也源於DNA的脫落，導致細胞質中出現DNA。另外，通過對DNA脫落時間進行分析，作者們發現這一現象只會出現在囊胚擴張的時間段而不會更早出現。
為了弄清楚囊胚發育中滋養外胚層細胞亞群中細胞分裂出現DNA脫落的原因，作者們對角蛋白絲的組織網路進行分析。角蛋白在各種組織中提供對細胞核的支持【1】。作者們發現將針對角蛋白K8以及K18的siRNA進行2細胞期顯微注射，會導致其中一個細胞中角蛋白被破壞，並導致細胞核中DNA脫落增加，但是並不會影響caspase-3的陽性細胞數量。因此，該結果說明核周角蛋白表達較低滋養外胚層細胞更容易發生DNA脫落。核纖層蛋白LaminA在過表達K8以及K18 的胚胎中顯著增加，同時胞質中DNA水平也降低。這些結果說明角蛋白提高對細胞核的保護作用，而機械應力會誘導DNA脫落。
圖3工作模型
總的來說，作者們的工作通過兩種高通透性染料SPY650-DNA以及SPY55-actin實現了對人體胚胎的活體成像。用於臨床監測或者遺傳檢測的胚胎活檢造成對人體胚胎的機械應力脅迫，增加DNA脫落的幾率，這一過程的機制與角蛋白對細胞核的支持作用相關。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.06.003
製版人：十一
參考文獻
1. Samarage, C.R., White, M.D., A´ lvarez, Y.D., Fierro-Gonza´ lez, J.C., Henon, Y., Jesudason, E.C., Bissiere, S., Fouras, A., and Plachta, N. (2015). Cortical tension allocates the first inner cells of the mammalian embryo.Dev. Cell34, 435–447.