陳凌聲，徐平，石德順，李湘萍

哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

陳凌聲1，徐平2,3，石德順1，李湘萍1

1 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西大學(xué)，廣西 南寧 530005 2 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所 北京蛋白質(zhì)組研究中心 蛋白質(zhì)組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206 3 國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心 (北京)，北京 102206

雌性生殖細(xì)胞發(fā)育是動(dòng)物繁殖的基石，哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞和早期胚胎在其生長發(fā)育過程中有許多獨(dú)特的現(xiàn)象和規(guī)律，涉及一系列蛋白質(zhì)合成/降解和磷酸化等狀態(tài)的動(dòng)態(tài)改變。對(duì)卵母細(xì)胞分裂、成熟調(diào)控機(jī)理以及植入前胚胎發(fā)育規(guī)律的研究是發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。蛋白質(zhì)組學(xué)是以細(xì)胞或組織內(nèi)全部的蛋白質(zhì)為研究對(duì)象，系統(tǒng)鑒定、定量蛋白質(zhì)并研究這些蛋白質(zhì)功能的科學(xué)。隨著蛋白質(zhì)分離、鑒定技術(shù)的快速發(fā)展，蛋白質(zhì)組學(xué)為卵母細(xì)胞發(fā)生、分化、成熟以及質(zhì)量控制等相關(guān)研究提供了新的方法和內(nèi)容，如在蛋白質(zhì)定量、修飾、定位和相互作用等方面提供其他組學(xué)技術(shù)不可獲得的重要信息。這些信息將有助于揭示哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟和早期胚胎發(fā)育的分子機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步完善卵母細(xì)胞的體外成熟培養(yǎng)體系，提高胚胎體外生產(chǎn)、體細(xì)胞克隆和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)效率具有重要意義。

蛋白質(zhì)組學(xué)，哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞，植入前胚胎發(fā)育，生發(fā)泡期，減數(shù)分裂

哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞是一種高度特化的生殖細(xì)胞，具有重構(gòu)精子DNA并啟動(dòng)早期胚胎發(fā)育的能力。大多數(shù)哺乳動(dòng)物的卵母細(xì)胞在發(fā)育過程中會(huì)自然停滯在第一次減數(shù)分裂前期的核網(wǎng)期。這個(gè)時(shí)期的卵母細(xì)胞細(xì)胞核明顯，又被稱為生發(fā)泡 (Germinal vesicle, GV)。當(dāng)受到特殊信號(hào)的調(diào)控，如激素或從卵泡環(huán)境中被釋放出來，卵母細(xì)胞可恢復(fù)減數(shù)分裂，生發(fā)泡破裂(Germinal vesicle breakdown, GVBD)，染色體凝集，第一次減數(shù)分裂中期 (MetaphaseⅠ，MⅠ)紡錘體形成，第一極體排出并完成第一次減數(shù)分裂。隨后，卵母細(xì)胞停滯在第二次減數(shù)分裂中期 (Metaphase Ⅱ，M)Ⅱ，受精后完成第二次減數(shù)分裂，完全成熟并排出第二極體，形成受精卵[1-2]。

哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞在GVBD后，轉(zhuǎn)錄活性快速下降，直至胚胎基因組激活，轉(zhuǎn)錄才重新恢復(fù)。因此，卵母細(xì)胞完成減數(shù)分裂成熟以及維持早期胚胎發(fā)育依賴于卵子在生長過程中合成并儲(chǔ)存的大量母源性mRNA和蛋白質(zhì)等[3]。盡管對(duì)小鼠等哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟過程已有一些認(rèn)識(shí)，但對(duì)其中具體的分子調(diào)控機(jī)理尚不完全清楚。以往人們對(duì)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育機(jī)制的研究大多是從基因組、轉(zhuǎn)錄組水平或以單個(gè)蛋白質(zhì)功能來進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，卵母細(xì)胞中mRNA豐度與蛋白質(zhì)表達(dá)量的線性相關(guān)性并不一致，尤其對(duì)于低豐度蛋白質(zhì)，相關(guān)性更差[4]。此外，蛋白質(zhì)作為生命功能的執(zhí)行者，存在多種不同亞型、復(fù)雜的翻譯后修飾、蛋白質(zhì)間相互作用等特點(diǎn)。因此，從蛋白質(zhì)整體表達(dá)水平對(duì)卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育進(jìn)行研究，有助于進(jìn)一步理解哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞的發(fā)育成熟機(jī)理及生殖疾病發(fā)生機(jī)制。

1995年，澳大利亞學(xué)者Wilkins等將一個(gè)細(xì)胞、組織或生物體基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)總稱為蛋白質(zhì)組 (Proteome)[5]。蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics) 旨在大規(guī)模研究蛋白質(zhì)的特征、結(jié)構(gòu)、功能、翻譯后修飾的狀態(tài)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用等，由此在蛋白質(zhì)水平上闡述細(xì)胞獨(dú)有的特點(diǎn)、動(dòng)態(tài)的變化以及關(guān)于疾病發(fā)生等過程[6]。

目前，蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要采用雙向凝膠電泳 (2-DE) 技術(shù)結(jié)合質(zhì)譜鑒定和基于液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用 (LC-MS/MS) 的鳥槍法等兩種方式進(jìn)行。二維凝膠電泳根據(jù)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)和相對(duì)分子量大小將樣品中的蛋白質(zhì)混合物分開。雙向凝膠電泳操作過程相對(duì)繁瑣，對(duì)樣品需要量相對(duì)較大。大量研究表明，2-DE/MS并不能覆蓋全部蛋白質(zhì)，2-DE上的一個(gè)點(diǎn)可能含有許多種蛋白質(zhì)，而同一個(gè)蛋白質(zhì)又可能分布在多個(gè)點(diǎn)，因此難以用于定性和定量研究?；诙嗑S液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析復(fù)合肽段混合物的技術(shù)方法 (Multidimensional protein identification technology, MudPIT) 對(duì)樣品中高豐度和低豐度蛋白、極疏水的、極大分子量的蛋白的鑒定均無偏向性[7]，已發(fā)展成為鳥槍法蛋白質(zhì)組學(xué)研究常用方法之一[8-9]。此外，基于一維凝膠電泳和LC-MS的GeLC-MS也得到了發(fā)展和廣泛地應(yīng)用，該方法操作簡便，對(duì)不同特性的蛋白質(zhì)的偏性較小，特別是難鑒定的膜蛋白和堿性蛋白[10]。

1 哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞發(fā)育過程中的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

早在1977年，Schultz等應(yīng)用放射性同位素35S標(biāo)記結(jié)合1-DE和2-DE方法研究小鼠卵母細(xì)胞發(fā)育過程中的蛋白質(zhì)表達(dá)變化[11]，發(fā)現(xiàn)在卵子生發(fā)泡破裂 (GVBD) 后蛋白質(zhì)發(fā)生明顯表達(dá)變化，且和卵母細(xì)胞發(fā)育的其他形態(tài)學(xué)，如紡錘體形成或極體排出無必然聯(lián)系。不同的蛋白質(zhì)具有不同的合成效率，卵子胞質(zhì)和核質(zhì)的融合觸發(fā)許多蛋白質(zhì)合成的變化，并促使小鼠卵母細(xì)胞在體外培養(yǎng)條件下完成減數(shù)分裂成熟。Coenen等運(yùn)用放射性同位素35S標(biāo)記結(jié)合2-DE技術(shù)研究了體外成熟條件下牛卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成模式[12]。研究發(fā)現(xiàn)，體外成熟過程中，牛卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成分為3個(gè)階段：成熟初期 (0–4 h)、GVBD向MⅠ期轉(zhuǎn)變期 (4–16 h)以及MⅠ期結(jié)束后(16–28 h)。其中，成熟初期合成的蛋白質(zhì)有15%貫穿整個(gè)卵子成熟過程。卵子在減數(shù)分裂成熟過程中的第4–8 h期間具有較高的蛋白質(zhì)合成數(shù)量，并一直維持到MⅠ期 (8–12 h)，隨后蛋白質(zhì)合成逐步下降直至保持穩(wěn)定。該結(jié)果與Kastrop[13]、Gandolfi等[14]的報(bào)道基本一致。

質(zhì)譜與生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合開創(chuàng)了質(zhì)譜應(yīng)用的新領(lǐng)域，生物質(zhì)譜現(xiàn)已廣泛地被應(yīng)用于蛋白質(zhì)鑒定或共價(jià)結(jié)構(gòu)的分析，成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的重要工具。自2004年以來，陸續(xù)開始有應(yīng)用基于質(zhì)譜鑒定的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)的深入研究，相關(guān)工作主要集中在不同發(fā)育階段卵子蛋白質(zhì)表達(dá)譜、蛋白質(zhì)磷酸化修飾的鑒定以及母源性蛋白質(zhì)的鑒定等方面。

2004年，Ellederova等應(yīng)用2-DE結(jié)合基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)對(duì)不同發(fā)育階段的豬卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)組進(jìn)行研究[2]。發(fā)現(xiàn)抗氧化蛋白、泛素硫酯酶L1以及精胺合成酶等蛋白質(zhì)在豬卵子成熟過程中始終保持較高的蛋白質(zhì)豐度。其中抗氧化蛋白在維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)平衡、抗氧化方面發(fā)揮重要作用。此外，他們還鑒定到一批與能量代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)，表明卵母細(xì)胞在為后續(xù)的受精過程所需的能量代謝做充分的準(zhǔn)備。值得注意的是，屬于醛脫氫酶家族的遺蛋白D7A1在MⅠ期和MⅡ期卵子中的表達(dá)水平顯著高于GV期卵子。研究表明該酶具有抗毒性作用，在人的卵巢中也呈現(xiàn)較高的豐度。

2007年，Vitale等運(yùn)用2-DE結(jié)合質(zhì)譜鑒定的蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究不同時(shí)期小鼠卵母細(xì)胞的差異蛋白質(zhì)[15]，發(fā)現(xiàn)在GV期和MⅡ期卵母細(xì)胞中，共有12種蛋白質(zhì)存在表達(dá)差異。同年，Susor等應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)手段比較體外培養(yǎng)條件下豬卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的變化[16]，發(fā)現(xiàn)16個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)在成熟過程中表達(dá)存在顯著差異，其中4個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào)，大部分蛋白質(zhì)的表達(dá)均呈現(xiàn)下調(diào)趨勢。質(zhì)譜鑒定還發(fā)現(xiàn)泛素羧基端水解酶L1 (UCH-L1) 在MⅡ期卵母細(xì)胞中表達(dá)顯著上調(diào)。作者認(rèn)為，該酶可能通過調(diào)控泛素依賴的蛋白酶體機(jī)制在減數(shù)分裂Ⅰ向后期轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮重要作用。2011年，Kim等通過比較蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究不同發(fā)育時(shí)期 (GV期和MⅡ期) 豬卵母細(xì)胞差異表達(dá)蛋白質(zhì)，共發(fā)現(xiàn)16種蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào)，12種蛋白質(zhì)表達(dá)下調(diào)。其中PRDX2、GST和SPSY等在內(nèi)的7種可能參與氧化還原調(diào)節(jié)和c-AMP信號(hào)通路的蛋白質(zhì)在MⅡ期卵母細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)[17]。這和Ellederova的研究結(jié)果基本一致。

已有研究表明，卵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)的活性受特異的激酶和磷酸酶調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞生長、分化、細(xì)胞周期和減數(shù)分裂等過程。為了研究體外培養(yǎng)條件下卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組的變化模式，2006年，Massicotte等通過2-DE結(jié)合MALDI-TOF-MS蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)牛卵母細(xì)胞進(jìn)行研究[18]。他們共鑒定到550個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)，且發(fā)現(xiàn)卵子成熟過程中有30%–50%的蛋白質(zhì)發(fā)生了磷酸化修飾。微管蛋白β鏈 (TBB)、細(xì)胞周期蛋白E2 (CCNE2)、蛋白二硫化合物異構(gòu)酶 (PAID3) 和硫氧還蛋白過氧化物酶 (PDX2) 等4個(gè)蛋白質(zhì)在體外培養(yǎng)過程中表達(dá)顯著變化。其中，CCNE2表達(dá)下降，而PDX2磷酸化后失活。這些變化可引起細(xì)胞內(nèi)過氧化物水平的改變，其介導(dǎo)的信號(hào)是減數(shù)分裂成功的重要原因。作者認(rèn)為CCNE2和PDX2可作為卵子減數(shù)分裂成熟的分子標(biāo)志物。

GVBD標(biāo)志著卵子第一次減數(shù)分裂的恢復(fù)。卵丘顆粒細(xì)胞通過與卵母細(xì)胞之間形成的大量縫隙連接為卵母細(xì)胞發(fā)育、成熟提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)，傳遞內(nèi)分泌及其他環(huán)境信號(hào)[19]。因此，卵丘顆粒細(xì)胞對(duì)卵母細(xì)胞發(fā)育成熟至關(guān)重要。為了研究卵子和卵丘細(xì)胞間相互作用因子及其作用機(jī)制，Memili等應(yīng)用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù) (LC-MS/MS) 研究牛GV期卵母細(xì)胞和卵丘顆粒細(xì)胞的蛋白質(zhì)組[20]。在卵丘顆粒細(xì)胞和GV期卵母細(xì)胞中分別鑒定到4 395和1 092種蛋白質(zhì)，其中858種為共同鑒定的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)參與包括細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和相互作用有關(guān)的膜蛋白、核蛋白等。該研究第一次全面剖析了牛卵母細(xì)胞和卵丘顆粒細(xì)胞蛋白質(zhì)組，也首次驗(yàn)證了5 360個(gè)假設(shè)蛋白。隨后作者應(yīng)用差異洗滌分餾結(jié)合多維色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用(Differential detergent fractionationmultidimensional protein identification technology, DDF-Mud PIT) 技術(shù)對(duì)牛GV期細(xì)胞和顆粒細(xì)胞蛋白質(zhì)組進(jìn)行研究，分別鑒定到811和1 247個(gè)蛋白，其中371個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)差異顯著。GO分析發(fā)現(xiàn)，卵丘顆粒細(xì)胞中的蛋白質(zhì)主要參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、分子運(yùn)輸、代謝和能量前體生成等多個(gè)過程。該研究證實(shí)卵母細(xì)胞需要顆粒細(xì)胞傳遞特異的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，以維持其生長和成熟[21]。

2008年，Ma等運(yùn)用2-DE等技術(shù)構(gòu)建了小鼠MII期卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜，共分離得到869個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)，其中90個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于53個(gè)蛋白質(zhì)表現(xiàn)為磷酸化修飾。這些蛋白質(zhì)主要參與染色體重構(gòu)、母源性物質(zhì)儲(chǔ)存以及卵裂球分裂等過程[22]。這些研究不僅為闡明復(fù)雜的卵子成熟調(diào)控機(jī)理提供了新的信息，還發(fā)現(xiàn)了一些可能的誘導(dǎo)重編程及多能性因子，為提高體細(xì)胞核移植技術(shù) (SCNT) 和誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞 (iPS) 效率、促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)研究創(chuàng)造了條件。

成熟卵母細(xì)胞中含有受精、胚胎基因組激活和早期胚胎發(fā)育所需的大量母源性蛋白質(zhì)。但對(duì)這些發(fā)揮重要功能的母源性蛋白的數(shù)量、種類及其功能了解甚少。有研究發(fā)現(xiàn)小鼠的母源性效應(yīng)基因/蛋白質(zhì)約30種，實(shí)際有待鑒定的因子可能會(huì)更多[23]。2009年，張平等通過1-DE與反相高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(RP-LC-MS/MS)從2 700個(gè)小鼠MII期卵母細(xì)胞中鑒定了625種蛋白質(zhì)，并從中篩選到76個(gè)在卵子和受精卵中具有高mRNA表達(dá)水平的母源性蛋白質(zhì)，包括許多從未被報(bào)道過的蛋白質(zhì)[24]。與已發(fā)布的小鼠胚胎干細(xì)胞蛋白質(zhì)組相比較，兩者共同鑒定的蛋白質(zhì)有371個(gè)。該研究為深入了解哺乳動(dòng)物母源性蛋白質(zhì)參與卵子發(fā)生、受精、早期胚胎發(fā)育等過程提供了重要的信息。

眾所周知，成熟卵母細(xì)胞和未分化的胚胎干細(xì)胞中含有重編程因子 (包括蛋白質(zhì)、RNA、小分子等)。這些分子具有重編程體細(xì)胞的能力[25-27]。雖然SCNT和iPS技術(shù)極大地促進(jìn)了動(dòng)物生殖生理學(xué)的研究，但對(duì)細(xì)胞重編程的分子機(jī)制目前尚不清楚。2010年，Wang等應(yīng)用LC-MS/MS技術(shù)研究了不同發(fā)育階段小鼠卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)組，分別在GV期、MII期卵母細(xì)胞和受精卵中鑒定到2 781、2 973和2 082種蛋白質(zhì)。研究表明，不同的蛋白質(zhì)的組成成分與不同時(shí)期細(xì)胞的特點(diǎn)有一定關(guān)系。如MⅡ期卵母細(xì)胞比其他時(shí)期的細(xì)胞含更多的特異性轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)重構(gòu)因子，表明這些蛋白質(zhì)可能與精子或體細(xì)胞表觀遺傳重編程有密切關(guān)系[28]。2011年，Pfeiffer等通過1-DE結(jié)合LC-MS/MS技術(shù)研究小鼠MⅡ期卵母細(xì)胞和未分化ES細(xì)胞蛋白質(zhì)組，提出重編程因子應(yīng)具備核定位、核染色質(zhì)修飾以及催化活性等3個(gè)特點(diǎn)。他們分別在MⅡ期卵母細(xì)胞和ES細(xì)胞中鑒定到3 699和4 723個(gè)蛋白質(zhì)，其中28個(gè)共同鑒定的蛋白質(zhì)符合作者提出的上述重編程因子的特點(diǎn)[29]。

2 哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育相關(guān)的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

由于胚胎細(xì)胞樣品非常有限，樣品收集不易，到目前為止，有關(guān)動(dòng)物早期胚胎的蛋白質(zhì)組研究報(bào)道還不多。早在1989年，就有牛早期胚胎樣品蛋白質(zhì)的研究，盡管沒有蛋白質(zhì)鑒定的結(jié)果，但該研究極大地影響了人們對(duì)牛胚胎發(fā)育生物學(xué)的認(rèn)識(shí)。Frei等運(yùn)用35S-蛋白酸標(biāo)記結(jié)合1-DE技術(shù)研究牛卵母細(xì)胞及早期胚胎的蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞、合子、2-細(xì)胞和4-細(xì)胞期胚胎的蛋白質(zhì)表達(dá)模式稍有不同，并與8–16細(xì)胞期胚胎的蛋白質(zhì)表達(dá)相比有顯著不同，而16–32期細(xì)胞和囊胚具有相似的蛋白質(zhì)表達(dá)模式。此外，作者還運(yùn)用3H-尿苷標(biāo)記不同發(fā)育時(shí)期的牛胚胎，以檢測RNA合成速率。結(jié)果顯示, 8-細(xì)胞期以前胚胎的蛋白質(zhì)合成受母源性mRNA調(diào)控，8–16細(xì)胞期間改變?yōu)楹献踊蚪M調(diào)控。這個(gè)現(xiàn)象被其他研究證實(shí)，即牛合子基因組激活時(shí)間發(fā)生在8–16細(xì)胞期之間[30]。

2006年，Massicotte等應(yīng)用放射性同位素35S結(jié)合2-DE技術(shù)研究體外成熟2-、4-和8-細(xì)胞期的牛胚胎蛋白表達(dá)模式、確定了母源性蛋白質(zhì) (Maternal housekeeping proteins, MHKP)[31]的概念。他們從以上樣品中分別鑒定到291、373和252個(gè)蛋白質(zhì)，其中70、83和28個(gè)蛋白質(zhì)分別特異地存在于3個(gè)時(shí)期的胚胎中；123個(gè)蛋白質(zhì)存在于所有的3個(gè)時(shí)期中，被認(rèn)為是候選母源性蛋白質(zhì) (MHKP)。利用MALDI-TOF-MS技術(shù)鑒定到10個(gè)蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其中的大部分蛋白質(zhì)在卵子或卵巢中已有報(bào)道，但E-FABP蛋白為新候選MHKP，且該蛋白在卵母細(xì)胞中是首次被報(bào)道。該研究展示了母源-胚胎轉(zhuǎn)變(Maternal-embryonic transition, MET) 過程中蛋白質(zhì)表達(dá)的變化情況，同時(shí)篩選出一些候選的MHKP，有助于進(jìn)一步揭示MET的分子機(jī)制。

2009年，Gupta等通過半定量質(zhì)譜方法分析比較豬孤雌激活 (Parthenogenetically activated, PA) 和體外授精 (In vitro fertility，IVF)胚胎的蛋白質(zhì)組[32]。結(jié)果顯示，IVF和PA胚胎共有的鑒定蛋白質(zhì)377個(gè)。以譜圖數(shù) (Spectral count) 進(jìn)行相對(duì)定量，發(fā)現(xiàn)90%的蛋白質(zhì)的差異豐度比值＞2，其中410個(gè)蛋白豐度比值＞10，表明孤雌激活和正常的體外授精在分子事件上存在巨大的差異。利用選擇性反應(yīng)監(jiān)測(Selected reaction monitoring, SRM) 實(shí)驗(yàn)，他們還驗(yàn)證了包括JAK2、STAT1、STAT2和鈣蛋白酶抑制蛋白等在內(nèi)的9個(gè)蛋白豐度變化情況。該研究不僅發(fā)現(xiàn)了反映胚胎質(zhì)量的可能標(biāo)志分子，還揭示了在豬孤雌激活 (PA) 的胚胎中基因組印跡、蛋白質(zhì)表達(dá)異?？赡苁且鹋咛グl(fā)育停止的原因。2012年，Myriam等應(yīng)用iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究不同發(fā)育階段牛胚胎的差異蛋白質(zhì)[10]以篩選差異表達(dá)蛋白質(zhì)，鑒定與胚胎成熟質(zhì)量相關(guān)的候選蛋白質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2-細(xì)胞胚胎和桑椹胚有28個(gè)蛋白質(zhì)的表達(dá)有差異。應(yīng)用SRM技術(shù)，他們還驗(yàn)證了其中的YBX2蛋白和IGF2 mRNA結(jié)合蛋白3等在2-細(xì)胞胚胎和桑椹胚中存在豐度差異。定量比較桑椹胚和囊胚的蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)與翻譯和生物合成過程有關(guān)的一系列蛋白質(zhì)在這兩個(gè)時(shí)期胚胎中具有顯著差異。這是iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)首次應(yīng)用于牛卵母細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育的蛋白質(zhì)組研究中，研究結(jié)果為闡明細(xì)胞命運(yùn)決定以及胚胎基因組激活的分子機(jī)制提供了新的線索。

3 挑戰(zhàn)與展望

哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞是繁殖生物學(xué)研究的主要對(duì)象，其在動(dòng)物生殖生理學(xué)研究中具有舉足輕重的作用。多年來，國內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)層面及角度對(duì)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎發(fā)育的分子機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，包括重要基因及蛋白質(zhì)功能組、基因組和轉(zhuǎn)錄組水平等方面，有關(guān)研究也取得了一定的成果。然而，對(duì)卵母細(xì)胞成熟及其調(diào)控的具體分子機(jī)制、特別是重要蛋白質(zhì)間的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控關(guān)系仍不是完全清楚，仍需要發(fā)掘與細(xì)胞成熟相關(guān)的標(biāo)志性分子。

蛋白質(zhì)組學(xué)的研究策略及其新技術(shù)和方法逐步在哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞研究中得到應(yīng)用，并取得了一定進(jìn)展，但仍面臨著不少挑戰(zhàn)。首先，相對(duì)于其他細(xì)胞或組織樣品，卵母細(xì)胞及胚胎細(xì)胞樣品來源有限，樣品收集較困難且費(fèi)時(shí)較長。這個(gè)矛盾在大家畜動(dòng)物胚胎樣品收集時(shí)顯得尤為突出，也使得開展相關(guān)物種的蛋白質(zhì)組學(xué)的研究受到限制。其次，目前許多物種仍缺乏相應(yīng)的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，這對(duì)開展這些物種的蛋白質(zhì)組學(xué)研究時(shí)進(jìn)行蛋白質(zhì)搜庫檢索帶來困難。第三，哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)豐度動(dòng)態(tài)變化范圍較大，其表達(dá)易受飼養(yǎng)環(huán)境、季節(jié)及成熟培養(yǎng)條件等因素影響；其中大量的低豐度蛋白質(zhì)易被高豐度蛋白質(zhì)干擾，給蛋白質(zhì)檢測鑒定帶來困難。

隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及科學(xué)家們對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)的理解的加深，可實(shí)現(xiàn)微量甚至單細(xì)胞的蛋白質(zhì)組鑒定。將有關(guān)新技術(shù)、新方法應(yīng)用于研究發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育相關(guān)蛋白質(zhì)，可系統(tǒng)鑒定更多的新蛋白質(zhì)，為后續(xù)深入研究重要蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ)。此外，運(yùn)用差異蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)比較不同發(fā)育階段或體內(nèi)、外成熟的卵母細(xì)胞蛋白質(zhì)的表達(dá)變化，篩選與卵母細(xì)胞發(fā)育成熟相關(guān)的標(biāo)志性蛋白質(zhì)，將有助于進(jìn)一步揭示哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟、受精和早期胚胎發(fā)育分子機(jī)制，為提高體外卵母細(xì)胞成熟和胚胎發(fā)育效率、細(xì)胞核移植和胚胎干細(xì)胞技術(shù)、人類輔助生殖技術(shù)等研究提供有力的理論依據(jù)。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Progress in proteomics of mammalian oocyte and early embryo

Lingsheng Chen1, Ping Xu2,3, Deshun Shi1, and Xiangping Li1
1 Guangxi University, State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources, Nanning 530005, Guangxi, China 2 State Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, Beijing Institute of Radiation Medicine, Beijing 102206, China 3 National Center for Protein Sciences (Beijing), Beijing 102206, China

The development of female germ cell is the cornerstone for animal reproduction. Mammalian oocyte and early embryo have many distinct phenomena and mechanisms during their growth and development, involving series dynamic changes of protein synthesis/degradation and phosphorylation. Research on the regulatory mechanism of oocyte division, maturation, and developmental principle of pre-implantation embryo is an important topic in the field of animal developmental biology. Proteomics using all of proteins expressed by a cell or tissue as research object, systematically identify, quantify and study the function of all these proteins. With the rapid development of protein separation and identification technology, proteomics provide some new methods and the research contents on fields of oogenesis, differentiation, maturation and quality control, such as protein quantification, modification, location and interaction important information which other omics technology can not provide. These information will contribute to uncover the molecular mechanisms of mammalian oocyte maturation and embryonic development. And it is great significant for improving the culture system of oocyte in vitro maturation, the efficiency of embryo production in vitro, somatic cell clone and transgenic animal production.

proteomics, mammalian oocyte, pre-implantation embryo development, germinal vesicle stage, meiosis

December 27, 2013; Accepted: June 10, 2014

Xiangping Li. Tel: +86-771-3239202; E-mail: xiangpingli@163.com Deshun Shi. Tel: +86-771-3239202; E-mail: ardsshi@gxu.edu.cn

陳凌聲, 徐平, 石德順, 等. 哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2014, 30(7): 1018–1025.

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Supported by: National Transgenic New Species Breeding Major Project (No. 2010ZX08007-003), Natural Science Foundation Major Project of Guangxi (No. 2012GXNSFCB053002), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (No. 20126401110001).

轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng) (No. 2010ZX08007-003), 廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (No. 2012GXNSFCB053002), 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (No. 20126401110001) 資助。