生命起始于卵子和精子的結合，終末分化的配子在受精后重編程為具有全能性的胚胎。然而，卵子發育晚期至合子基因組激活之前，基因組一直處于轉錄沉默狀態。在此階段發生的諸如卵子減數分裂、母源RNA去除和合子基因組轉錄激活等重要生物學事件都高度依賴于轉錄后調控。頡偉實驗室前期研究表明，人和小鼠卵母細胞向胚胎轉換中均存在大量的翻譯調控事件，并且翻譯組在合子基因組激活后才與轉錄組呈現高偶聯性（ Xiong et al., Nature Cell Biology, 2022； Zou et al., Science, 2022）。然而在此過程中，基因功能的直接執行者蛋白質與轉錄組和翻譯組是如何關聯的仍不清楚。
2023年7月13日，清華大學生命學院頡偉研究組在Genome Biology期刊報道了題為Stable maternal proteins underlie distinct transcriptome, translatome, and proteome reprogramming during mouse oocyte-to-embryo transition（穩定的母源蛋白決定小鼠卵子—胚胎轉換過程中轉錄組、翻譯組和蛋白質組不同的重編程模式）的研究論文。該研究系統地進行了卵子向胚胎轉換（oocyte-to-embryo transition，OET）過程中轉錄組、翻譯組與蛋白組多組學整合分析，發現卵母細胞中積累的母源蛋白在小鼠卵母細胞成熟和早期胚胎發育過程中占主導地位，超過半數的母源蛋白可以穩定存在至囊胚期。與之對應的轉錄和翻譯水平則在卵子發育晚期和合子基因組激活時期呈現劇烈變化。這一研究為卵母細胞向胚胎轉換過程中提供了基因表達調控的多組學數據，并提示在轉錄后調控廣泛存在的早期胚胎發育階段，不能簡單地依賴轉錄和翻譯來評估蛋白水平的動態變化。
在這一工作中，研究人員采用非標記的高定量性蛋白質譜方法（label free LC-MS/MS），系統性的繪制了小鼠卵子和早期胚胎發育的不同時期的全蛋白質組圖譜。結合頡偉課題組之前發表的相應時期的翻譯組數據 (Xiong et al., Nature Cell Biology, 2022)，該研究揭示在小鼠卵母細胞向胚胎轉換時期，轉錄組、翻譯組與蛋白質組具有不同步的動態變化模式。轉錄組與翻譯組“劇烈波動”，而蛋白質組相對穩定。從完全生長成熟的初級卵母細胞到8細胞胚胎階段，蛋白質整體上變化緩慢。例如，盡管在1細胞胚胎及其后續發育階段，轉錄和翻譯水平被抑制，檢測到的103個卵子起源的蛋白有58.3％在囊胚中仍然存在。另外，父母源特異性蛋白組分析也同樣揭示了這種現象。這一結果表明母源蛋白的降解在早期胚胎中較為緩慢。
進一步，研究人員系統地探究哪些特征影響蛋白組與轉錄組和翻譯組的相關性，并發現卵子中原始蛋白量與蛋白半衰期長度均與蛋白組與轉錄組和翻譯組的相關性關聯。卵子中起始蛋白水平越高，后期蛋白組與翻譯組/轉錄組相關性越低 。另外，蛋白半衰期（利用已發表體細胞數據做參考）和蛋白組與翻譯組/轉錄組的相關性也呈現負相關。蛋白半衰期越長，其相關性也會越低 。基于以上規律，研究人員建立了蛋白質動力學模型，利用卵母細胞中的起始蛋白質豐度和翻譯水平能較好的預測特定發育時間點的蛋白豐度。
綜上所述，本研究深入探討了在小鼠卵子向胚胎轉化過程中轉錄組、翻譯組與蛋白質組三重維度的基因表達調控模式，發現穩定存在的母源蛋白決定了在此發育階段蛋白質組與轉錄組和翻譯組的變化趨勢的低偶聯性。
頡偉教授為本文的通訊作者，清華大學生命科學聯合中心博士后張紅梅和嵇姝妍，2016級博士研究生張珂為本文共同第一作者。該課題得到了清華大學蛋白質化學與組學平臺鄧海騰教授和陳宇凌博士在質譜檢測方面的大力幫助。武漢大學數學與統計學院金鎖欽教授和博士研究生汪順同學在動力學模型構建提供了重要幫助。
原文鏈接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02997-8
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