小鼠胚胎着床相关microRNA的筛选及miR-192-5p调控子宫内膜容受性的机制

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早期胚胎流失是导致哺乳动物妊娠失败的主要原因之一。研究表明,绝大多数胚胎流失发生在胚胎着床阶段,这一现象普遍存在于高产奶牛、母猪等家畜,严重影响了动物的繁殖效率。辅助生殖技术的诞生使得体外授精和胚胎移植成为可能,但移植后着床率低下的问题依然没有得到显著改善。因此明确胚胎着床的调控机制对于提升哺乳动物的妊娠效率至关重要。影响胚胎着床的因素主要包括胚胎的活性、子宫内膜容受性的建立及二者之间有效的交流对话。其中,子宫内膜容受性的建立是胚胎着床启动的必要前提,也是调控着床进程的主导因素。子宫内膜容受性是指母体子宫在其生殖周期有限时间段内所达到的一种能够接纳胚胎附着的特殊生理状态。研究表明,尽管物种之间采用的着床方式不同,着床早期阶段子宫内膜容受性的建立机制却具有相似之处。然而,由于子宫内膜中各个组分在容受阶段的作用不同,其背后的分子调控网络也十分复杂,目前对于子宫内膜容受性建立的具体机制尚未明确。MicroRNA(miRNA)是一类短链非编码小RNA分子,因其能在转录后水平同时靶向调控多个基因的表达而广泛参与多种生物学进程。目前已有许多研究表明miRNA参与胚胎着床的调控,但其在子宫内膜容受性建立过程中的作用还不清晰。考虑到物种间胚胎着床早期阶段的相似性,本研究利用模式动物小鼠作为实验对象,采用小RNA测序技术对容受前期、容受期和着床期小鼠子宫内膜中的miRNA表达谱进行分析,随后结合荧光定量PCR检测技术和子宫角注射miRNA agomir或antagomir的方法筛选出差异表达且能够影响着床进程的miRNA确立为目标miRNA。随后对目标miRNA在小鼠妊娠早期的时空表达情况进行检测,并且通过建立不同小鼠模型探究影响其呈现特异表达趋势的因素。最终通过体内体外实验调控miRNA的表达,探究其对子宫内膜容受性的影响及其分子调控机制。本研究所得到的主要实验结果如下:(1)对小鼠不同妊娠时期子宫内膜组织中的miRNA表达谱进行分析,结果显示共有42个miRNA在容受前期(妊娠第1天)、容受期(妊娠第4天)和着床期(妊娠第5天)的表达呈现显著差异(|log2(Foldchange)|≥1.5且FDR<0.05),对部分差异表达的miRNA进行荧光定量PCR验证和体内miRNA表达量干扰后发现,miR-192-5p在容受期和着床期的小鼠子宫内膜中表达量极显著降低(P<0.001),瞬时上调着床期间子宫内膜中miR-192-5p的表达水平将导致着床失败,提示其可能参与小鼠胚胎着床的调控。(2)miR-192-5p在小鼠妊娠早期(妊娠第1-7天)呈现出持续下滑的表达趋势,在着床期及之后一直维持低水平表达。原位杂交结果显示miR-192-5p主要表达于子宫内膜腔上皮和腺上皮层,且随着子宫进入容受期,腔上皮中miR-192-5p的表达量显著降低。检测正常妊娠小鼠模型、假孕小鼠模型、延时着床模型、人工诱导蜕膜模型中miR-192-5p的表达发现胚胎因素不是导致其在着床期间子宫内膜中表达下调的主要原因;在未孕小鼠的自然发情周期内,miR-192-5p在发情期表达量升高,在间情期表达量降低,提示其表达水平更倾向于受到子宫内膜自身周期性生理变化的影响。(3)通过构建卵巢摘除小鼠模型,并给予不同规模的激素处理发现,雌激素(β-Estradiol,E2)能够显著诱导子宫内膜上皮层中miR-192-5p的表达上调;而孕酮(Progesterone,P4)在单独作用时具有下调miR-192-5p的趋势但尚未达到显著水平,当与E2共同作用时能够极显著抑制miR-192-5p的表达。采用E2和P4共同处理小鼠以模拟容受期间子宫中的激素环境,结果显示miR-192-5p的表达受到显著抑制,提示着床期间子宫内膜中miR-192-5p表达下调是由E2和P4共同影响所致。(4)体内研究表明,上调容受期间子宫中miR-192-5p的表达致使子宫内膜容受性受损,具体表现为细胞表面微绒毛的数量得以维持、胞饮突的形成减少等;此外,部分表达于上皮层中的容受性标记分子的表达出现异常,提示miR-192-5p主要干扰了容受期间上皮细胞的转化行为。体外实验表明,miR-192-5p在非容受性子宫内膜上皮细胞系(HEC-1-A细胞)中的表达极显著高于容受性子宫内膜上皮细胞系(Ishikawa、RL95-2细胞等)。抑制HEC-1-A细胞中miR-192-5p的功能致使细胞形态变圆、细胞间连接蛋白(E-cadherin、ZO-1等)的表达水平降低、细胞骨架相关结构(如应力纤维、表面微绒毛等)发生重排,最终导致上皮细胞极性减弱。此外,抑制miR-192-5p的表达导致细胞表面抗黏附蛋白Mucin1的表达下调,进而提升了细胞表面接纳胚胎附着的能力。探索miR-192-5p的潜在靶基因结果显示,转录因子抑制因子E盒结合锌指蛋白2(Zinc finger E-box-binding homeobox 2,ZEB2)和细胞骨架相关调控因子Rho GTP酶激活蛋白19(Rho GTPase-activating protein 19,ARHGAP19)是 miR-192-5p 的靶基因。二者的蛋白均在容受状态下的子宫组织和细胞中高表达,且改变子宫组织、子宫内膜上皮细胞系中miR-192-5p的表达水平能够导致二者内源性蛋白出现相应的表达变化。此外,在非容受性细胞中过表达ARHGAP19能够部分重现抑制miR-192-5p后产生的表型现象,包括细胞骨架结构的重排、细胞间E-cadherin表达量降低等。不仅如此,过表达ARHGAP19能够促使细胞间E-cadherin表达分布发生变化,细胞呈现出堆积生长的趋势。这些表型与容受期间子宫内膜上皮细胞中发生的变化相类似,提示该分子的表达上调可能促使非容受性细胞向容受性表型过渡。综上所述,本研究探索了小鼠妊娠早期在胚胎着床阶段子宫内膜中差异表达的miRNA谱,并且针对其中一个miRNA,即miR-192-5p在小鼠胚胎着床时期子宫内膜容受性建立过程中的调控作用展开了深入研究。本研究证实了 miR-192-5p高表达于非容受状态的子宫内膜上皮细胞中,参与维持上皮细胞极性和细胞表面的抗黏附特性。妊娠期间,在雌激素和孕激素的共同作用下,miR-192-5p的表达水平被显著抑制,导致细胞表面抗黏附因子表达下调;此外一些调控细胞形态和细胞骨架相关的靶基因如ZEB2、ARHGAP19等的表达水平得以释放,促使细胞连接蛋白和细胞骨架发生重排,最终导致上皮细胞极性减弱,细胞状态向容受态过渡,使得胚胎着床得以启动。这些研究成果进一步揭示了 miRNA介导下子宫内膜容受性建立的分子机制,为提升哺乳动物的胚胎着床率和妊娠率提供了新的理论参考。此外,miR-192-5p还有望作为一个新的分子标记用于辅助生殖中子宫内膜容受性的评估和诊断。
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