人类胚胎发育一直是发育生物学研究中难以破解的“黑匣子”。胚胎着床是哺乳动物胚胎发生过程中的里程碑事件。据悉，生理状态下超过半数以上的人类胚胎由于无法顺利着床导致不孕。此前，科学家一直利用小鼠或猴子的胚胎进行相关研究，但不同哺乳动物胚胎之间存在明显的物种差异，因此无法清楚地反映人类胚胎着床时期的发育分子机制和形态变化。此外，其中涉及的基因调控和表观遗传机制更是难以破解。

为了深入探索人类胚胎着床过程的分子机制，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）、生物医学前沿创新中心（BIOPIC）的汤富酬教授课题组与北京大学第三医院乔杰教授课题组展开了合作。研究团队利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构了人类胚胎着床过程中的分子动态规律，揭示了这一关键发育过程的基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化过程。8月21日，该研究成果在国际顶级学术期刊《自然》上发表。

研究团队利用着床后胚胎体外培养系统和单细胞多组学测序技术，在受精6天后对2,000多个着床前胚胎进行了测序。同时，比较分析了滋养外胚层、多能外胚层和原始内胚层谱系的约3,200个单细胞。此外，研究团队还评估了受精后第8、10、12和14天从体外培养系统植入后胚胎中获得的9,000多个单细胞，并进行质量控制以进行后续研究。

 图：人类胚胎体外模拟着床生长过程（day6-12）

研究团队利用单细胞测序技术共对65例人类围着床时期的8,000多个胚胎细胞进行了测序，分析了基因表达簇、细胞谱系线索、拷贝数模式、甲基化动力学以及从scTrio-seq数据中收集到的其他信息。根据着床前、着床期间和着床后发现的细胞特征，研究人员发现，雌性胚胎显示父源或母源X染色体的随机失活，并且围着床期胚胎存在着一定程度的拷贝数变异（CNV），且CNV未影响主要谱系的整体基因表达。

通过分析胚胎外部的滋养外胚层细胞，胚胎内细胞团中的多能表皮细胞，以及包围表皮细胞的原始内胚层细胞的分子轨迹变化。其中，胚胎上胚层、原始内胚层和滋养外胚层谱系的单细胞转录组数据显示了胚胎的逐步植入途径。通过分析发育胚胎的基因表达模式可以发现，胚胎是在为着床期间建立正确的“母-胎连接”做准备。

图：不同细胞谱系在着床过程中的特异性DNA甲基化特征（基于PCA分析）

为进一步分析胚胎着床过程中的基因组甲基化特征，研究团队利用自主开发的sctrio-seq的“三组学”单细胞测序技术，对三类细胞谱系的基因组甲基化过程进行了深度分析。研究人员发现，上胚层、原始内胚层和滋养外胚层的细胞谱系在着床前具有相似的DNA甲基化模式，在着床后迅速获得了各自独特的DNA甲基化特征。着床后，滋养层和表皮细胞中基因组的重新甲基化比原始内胚层细胞发生得更快。此外，研究发现，DNA甲基化在着床后早期可能参与了特异性调控关键基因的转录，与基因转录共同协调不同细胞谱系的发育潜能特化过程。以上研究结果表明，DNA甲基化可能在维持特定细胞谱系的发育过程中发挥重要作用。

该研究工作揭示了人类胚胎着床的复杂分子机制，获得的单细胞分辨率的转录组和DNA甲基化组数据对于研究早期人类胚胎发育研究具有重要潜在价值，有助于促进人们对早期胚胎发育和着床机制的理解，分析探索着床失败的原因，为早期流产、胎儿畸形等临床病例的诊治提供了重要理论依据。

北京大学博士后周帆，博士生汪睿、袁鹏、任一昕、毛雨诺为该文章的并列第一作者，汤富酬教授和乔杰院士为文章的共同通讯作者。