2022年2月22日， 美国哈佛大学医学院张毅教授团队在Cell Reports期刊发表论文，报道了氨基酸转运蛋白SLC38A4的基因印记缺失，是导致克隆小鼠胚胎发育后期胎盘异常增大的主要原因，并揭示了其背后的分子机制。张毅教授为该论文的通讯作者，博士后研究员谢振飞，张文昊为该论文的共同第一作者。
动物克隆技术，是将体细胞的细胞核与去核卵细胞融合，使已经终末分化的体细胞重新获得全能性，并发育成为一个完整个体【1】。但是，通过克隆技术产生的哺乳动物，往往存在多种发育缺陷，导致了克隆动物极低的出生率以及部分生理功能的缺陷【2】。其中克隆胎盘的异常增大，在小鼠、牛等多种克隆动物中表现非常明显【3,4】，这可能是阻碍克隆动物胚胎正常发育的重要原因之一。虽然这个现象发现至今已有20多年，但是人们对其背后的发生机制却知之甚少。
这个问题的线索直到最近几年才被发现。2017年，张毅团队证明了基因组的某些区域在母本染色体上，而非父本染色体上，存在大量组蛋白H3第27位赖氨酸上的三甲基化修饰 (H3K27me3)。这种修饰会对基因表达产生抑制作用，从而使得这些特定区域编码的基因仅能从父本染色体上表达。这一现象称为H3K27me3介导的基因印记【5】。有意思的是，受精卵中的H3K27me3介导的基因印记仅在胎盘细胞中被部分保留，而在胚胎体细胞中却完全丢失。这使得H3K27me3介导的基因印记在利用体细胞进行核移植的克隆胚胎中发生缺失，从而导致克隆胎盘中相关的印记基因（如Sfmbt2, Gab1, Slc38a4等）在父本和母本染色体上同时表达，迫使其表达量加倍【4】。张毅团队于2018年提出这些印记基因在克隆胎盘中的高表达，可能是导致克隆胎盘异常增大的重要原因【4】。然而当时这个假说还缺少关键性的实验证据。而且人们对哪一些印记基因，通过什么机制导致了胎盘的异常增大也并不清楚。
在这项最新的研究当中，研究人员发现克隆胎盘在胚胎发育后期（14.5到19.5天）会出现显著性的增长（平均重量从0.21克增长为0.34克），而正常胎盘在这个时期的增长却几乎停滞（平均重量从0.11克增长为0.12克）。从这个差异出发，研究人员比较了正常胎盘与克隆胎盘在不同发育时期的基因表达情况，发现H3K27me3介导的印记基因Slc38a4的表达量在胎盘发育后期开始迅速增高，同时在克隆胎盘里面出现了明显的由基因印记丢失引发的过表达。为了研究Slc38a4 基因印记的丢失对克隆胎盘发育的影响，研究人员通过构建母本Slc38a4基因敲除小鼠作为核移植的供体，在克隆胎盘中重建了Slc38a4基因的父本特异性表达，使该印记基因的表达量恢复到了正常水平。实验结果显示矫正Slc38a4印记基因在克隆胎盘中的过表达，可以有效地抑制克隆胎盘在发育后期出现的异常增长。
研究人员通过进一步对比正常胎盘与克隆胎盘在基因转录组、蛋白磷酸化和物质运输方面的差异，对Slc38a4基因印记的丢失如何导致克隆胎盘的异常增大，提出了一个合理的解释。研究人员认为克隆胎盘中负责氨基酸转运的Slc38a4基因由于丢失了基因印记，在胎盘细胞内发生了过表达，从而导致了胎盘细胞对母体血液中的氨基酸产生过度吸收。而氨基酸在胎盘细胞中的过量累积则使得对氨基酸浓度敏感的mTORC1信号通路发生过度激活。由于mTORC1的激活对促进细胞的增值和生长具有关键性的作用【6】，导致Slc38a4基因印记丢失诱导的mTORC1过度激活，成为克隆胎盘在发育后期出现异常增大的重要原因。
图1：Slc38a4基因印记缺失导致克隆胎盘在发育后期异常增大的模式图
这项研究工作不仅找到了导致克隆胎盘在发育后期异常增大的关键基因，并对其背后的发生机制做出了合理的解释，同时也证明了克隆动物中存在的基因印记丢失现象是导致其胚胎发育缺陷的重要原因之一。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110407
制版人：十一
参考文献
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2 Smith, L. C., Bordignon, V., Babkine, M., Fecteau, G. & Keefer, C. Benefits and problems with cloning animals. Can Vet J 41, 919-924 (2000).
3 Chavatte-Palmer, P. et al. Review: Placental perturbations induce the developmental abnormalities often observed in bovine somatic cell nuclear transfer. Placenta 33 Suppl, S99-S104, doi:10.1016/j.placenta.2011.09.012 (2012).
4 Matoba, S. et al. Loss of H3K27me3 Imprinting in Somatic Cell Nuclear Transfer Embryos Disrupts Post-Implantation Development. Cell Stem Cell 23, 343-354 e345, doi:10.1016/j.stem.2018.06.008 (2018).
5 Inoue, A., Jiang, L., Lu, F., Suzuki, T. & Zhang, Y. Maternal H3K27me3 controls DNA methylation-independent imprinting. Nature 547, 419-424, doi:10.1038/nature23262 (2017).
6 Laplante, M. & Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth control and disease. Cell 149, 274-293, doi:10.1016/j.cell.2012.03.017 (2012).
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