Article 文章mTOR activity paces human blastocyst stage developmental progression
mTOR 活性调节人类囊胚阶段的发育进程
生物学TOPSCI升级版 生物学1区SCI基础版 生物1区IF 45.5 如果45.5SWJTU A++ 西南交通大学A++Graphical abstract 图文摘要
Keywords 关键词
滞育休眠mTOR人母细胞多能干细胞发育
Introduction 介绍
胚胎发育包括一系列由沃丁顿模型描述的细胞定型和分化事件。根据该模型,细胞通过遵循连续的发育路径(“滚下坡”)来连续限制其发育选择。作为对这种被广泛接受的持续发育模型的补充,许多哺乳动物物种进化出了一种通过“限制球的下坡滚动”来暂时延迟发育的方法。这种休眠现象被称为胚胎滞育,通常通过延迟胚胎的发育进程和植入子宫壁来保留囊胚期左右的胚胎。 1 2
滞育由多种因素触发,包括光周期(暴露在日光下)的变化、哺乳或物种特异性的饥饿3 4 5,并由激素变化介导。 1 3 4 6在滞育期间,休眠胚胎表现出最低的合成代谢活性和增殖减弱4 7但仍然对可以启动其重新激活和恢复发育的信号做出反应。 8 9 10为了成功进入、维持并随后退出休眠,胚胎以组织和阶段特定的方式重新连接转录、表观遗传和代谢程序。11 12 13 14 15 16 17 18 19例如,在滞育小鼠外胚层 (EPI) 中,囊胚阶段的多能性特征得以保留,表明这种通常短暂的原始状态可以在体内长期稳定和维持。20
迄今为止,超过 130 种哺乳动物已被证明采用一系列滞育状态作为其生殖周期的一部分。此外,种间子宫移植实验表明,进入休眠状态的能力可能保留在更多物种的囊胚中,而不必用于滞育。 21 22事实上,非自然滞育的绵羊囊胚在转移到诱导滞育的小鼠子宫中后可以进入这种休眠状态。 21鉴于不同物种采用保守或不同的调控网络、信号通路和形态组织来支持囊胚发育, 23 24 25 26 27 28 29是否有更多的哺乳动物具有这种内在的休眠能力尚不清楚。
据称,人类滞育的可能性有所增加。 30 31由于滞育最可靠地表现为着床延迟,因此研究人类胚胎滞育的可能性需要对大群体的着床事件进行精确测量,这可以使用妊娠测试来测量。迄今为止,此类研究尚未发现生理条件下植入异常延迟的证据。
在人类胚胎中触发滞育的尝试很少提供有希望的初步见解,但滞育的标志,例如细胞特性和胚胎形态的维持、休眠的可逆性和植入的预防尚未得到充分实现。 14 32重要的是,休眠的可逆性需要在功能和/或分子水平上进行记录,以证实人类细胞有可能经历休眠。技术障碍和合理的伦理原则阻碍了对体内人类胚胎发生的实验研究。 33然而,剩余的体外受精胚胎、源自早期胚胎的多能干细胞 (PSC)、经过重新编程以产生诱导性 PSC (iPSC) 的细胞以及基于干细胞的胚胎模型可用于测试人类祖细胞的潜力。他们的发展和植入。
我们之前发现 mTOR 通路是小鼠胚胎滞育的主要调节因子。 34单独抑制 mTOR (mTORi) 可在体外诱导小鼠囊胚进入滞育样休眠状态,从而限制囊胚生长和发育进程长达数周。此外,用 mTORi 处理的小鼠 PSC 可以在类似于滞育 EPI 的休眠状态下繁殖。 20 34值得注意的是,这种休眠状态是可逆的,重新激活的胚胎和 PSC 可以分别产生活的、可育的小鼠和高级嵌合体。 34 mTORi 下游的休眠细胞表现出整体合成代谢活性降低以及代谢和转录网络改变,让人想起体内滞育胚胎。 15 35
在这里,我们揭示了基于人类干细胞的囊胚(胚泡)模型以及由 mTORi 触发的囊胚期 PSC 的保守休眠反应。我们发现胚胎和胚胎外细胞保持其细胞身份,以功能可逆的方式经历受限的增殖和发育进程。正如在小鼠滞育期间观察到的,我们还表现出组织和阶段特异性反应,并且缺乏在体外附着于激素刺激的人类子宫内膜细胞的效力。这些结果明确了 mTOR 在调节人类囊胚期样细胞的生长和发育进程中的保守作用,这提高了通过延长植入前阶段发育能力的时间窗口来调节人类早期发育时间的可能性。
Results 结果
Conserved pattern of mTOR activation via IGF1 sensing in mouse and human embryos
小鼠和人类胚胎中通过 IGF1 感应激活 mTOR 的保守模式
mTOR 蛋白激酶是小鼠囊胚休眠与增殖决定的主要控制者,因为抑制其催化活性可以使小鼠囊胚在体外维持数周,而在类似于滞育的状态下几乎没有发育进展。 15 34为了探究小鼠和人类囊胚之间最终的相似性,我们首先比较了 mTOR 通路活性的模式(图 1 )。在两个物种的晚期囊胚中,mTOR 下游靶标核糖体蛋白 S6 (S6) 的磷酸化显示出相似的模式,在极滋养外胚层 (pTE) 中信号最高,在壁 TE 和内细胞中信号较低质量(ICM;图 1 A 和 1B)。在小鼠囊胚中,其他 mTOR 靶点 p4EBP1、pAKT 和新生翻译显示出与 pS6 类似的模式,并且 pTE 中的活性始终较高(图 S1 A)。之前的研究表明,pTE 在小鼠滞育期间不太容易受到抑制,这可能是由于其高 mTOR 活性所致。 7 pS6 在小鼠和人类胚胎中的保守模式表明,mTOR 通路可能对这两个物种的囊胚发育有类似的贡献。 36

Figure 1. Similar pattern and sensing of mTOR pathway activity in human and mouse pre-implantation embryos
图1 。人类和小鼠植入前胚胎中 mTOR 通路活性的相似模式和感知
(A) 对人囊胚 E6 处的 mTOR 下游靶标磷酸化 S6、EPI 标记 NANOG 和 TE 标记 CDX2 进行免疫荧光 (IF) 染色。比例尺,50 μm。
(B) 小鼠囊胚 E4.5 的 pS6 和 ICM 标记 OCT4 的 IF 染色。小鼠和人类胚胎显示出相似的 pS6 染色模式。比例尺,50 μm。
(C) 与对照胚胎相比,在 1.7 nM IGF 中培养的人类植入前胚胎从 2 细胞直至囊胚阶段产生显着更高的囊胚百分比。作为对照,使用了测定年份中所有解冻囊胚的数据。
(D) IGF 治疗增加了人类植入前胚胎中 ICM 细胞的数量。使用n = 6 个胚胎。实线表示中位数,虚线表示四分位数范围。
(E) IGF 处理增加了小鼠植入前胚胎中 ICM 细胞的数量(1.7 nM)。对照的n = 6、10 和 8,分别为 1.7 和 17 nM。实线表示中位数,虚线表示四分位数范围。 (D) 和 (E) 中的结果在单向方差分析中不具有统计显着性,并且显示出趋势。

Figure S1. Characterization of mTOR pathway activity in mouse and human blastocysts, related to Figure 1
图S1 。小鼠和人类囊胚中 mTOR 通路活性的表征,与图 1相关
(A) mTOR 下游的 IF 染色针对小鼠 E4.5 胚胎中的 pAKT、p4EBP1 和新生蛋白合成。用氨基酸类似物 HPG 培养胚胎以标记新生蛋白质。 OCT4 用作 ICM 标记来定位极侧。最下面的面板显示标有虚线的区域的放大图像。
(B) IF 染色显示对照或 IGF 处理条件下人和小鼠囊胚中的 ICM 和 TE。
(C) 在对照条件下和用 IGF1 处理后的人胚泡中 pS6 的 IF 染色。显示了荧光最大强度投影。右图显示了每种条件下 pS6 强度的量化。 ICM 在 1.7 nM IGF1 处理中达到最大 pS6 强度。实线表示中位数,虚线表示四分位数范围。单向方差分析的结果不具有统计显着性,并且显示出趋势。
mTOR 通路响应细胞环境中的营养物质和某些生长因子来调节细胞生长和增殖。胰岛素生长因子 (IGF) 是 mTOR 通路的上游主要调节因子,参与多个物种的滞育调节。 37 38 IGF1 以雌激素依赖性方式从母体子宫组织表达,用于囊胚的旁分泌调节。 39 40在小鼠中,雌激素水平降低会阻碍胚胎着床并诱导滞育。 41为了测试 mTOR 通路活性在人类和小鼠囊胚中是否有类似的感知和调整,我们将这些囊胚置于 IGF1 中(在人类中,从第 2 天或第 5 天开始,根据胚胎的可用性;图 1 C-1E)。使用两种剂量的 IGF1:1.7 和 17 nM,后者是人类生殖道中的估计浓度。 42 43低 IGF1 补充剂可提高人类囊胚形成率(58% vs. 27%为对照,读数:囊胚腔;图 1 C 和S1 B),以及两个物种中每个囊胚的 ICM 细胞数量(按趋势)(图 1 D 和 1E),与之前的发现一致。 43高 IGF1 浓度不会改善囊胚形成,但会增加 ICM 细胞数量,类似于 1.7 nM IGF1,这一观察结果与 pS6 的平台期相关(图 S1 C)。我们的结论是,在这两个物种中,mTOR 通路都是活跃的,可被 IGF1 激活,并被 TE 和 ICM 组织以不同的方式利用。
mTOR activity regulates TE development and attachment
mTOR 活性调节 TE 的发育和附着
滞育休眠状态的特点是增殖减慢并阻止胚泡在子宫内着床。在人类囊胚中进行的功能获得实验表明 mTOR 在 ICM 和 TE 增殖中发挥作用(图 1D )后,我们测试了抑制 mTOR 通路活性的影响(图 2 )。为了通过足够大的样本数量来实现这一目标,以便进行统计分析,我们使用了胚泡,即基于干细胞的囊胚模型。囊胚是由在 PXGL 条件下培养的原始人类 PSC (hPSC) 产生的,在形态和转录上代表第 5-7 天的人类囊胚。 36 44从胚泡形成的第 2 天开始,直到第 4/5 天(TE 类似物增殖的时间窗口),用催化 mTOR 抑制剂 RapaLink-1 处理这些结构。 36 RapaLink-1 是一种雷帕霉素-INK128 缀合物,可阻断 mTOR 上的变构和催化位点,从而有效减少靶标磷酸化(图 S2 A;条件表示为 mTORi)。在对照和 mTORi 条件下,胚泡形成效率很高(对照为 86%,mTORi 为 83%),并生成了三个囊胚谱系的类似物(图 2 A 和S2 B)。 然而,mTORi 处理的结构形成了更小的胚泡,包含更少的 TE 样细胞(图 2B 、2C 和S2B )。我们得出的结论是,mTOR 活性调节 TE 发育,正如之前在休眠小鼠囊胚15 34中报道的那样(图1D 和 1E)。然后,我们测试了 mTOR 活性是否调节 TE 附着子宫内膜的能力。除了减少增殖之外,mTORi 治疗还显着降低了 CCR7(第 4 天;图 2D )和 NR2F2(第 5 天;图2E 和S2C )的表达,这两种分子标志着 pTE 的分化并有助于植入人类囊胚。 45 46 47为了测试 pTE 的功能,我们将胚泡转移到源自原代子宫内膜类器官的子宫内膜细胞层上(图 2 F)。正如我们之前报道的, 36 个胚泡通过极性 TE 附着在子宫内膜细胞上,特别是当这些细胞受到激素刺激时(图2F;无激素刺激时为 6%,无激素刺激时为 6%)。 23% 受荷尔蒙刺激)。相比之下,mTORi 处理的胚泡与激素刺激的子宫内膜细胞的附着能力显着降低(图 2 F;5%)。这些数据表明 mTOR 信号传导活性有助于人类 TE 发育,包括 TE 增殖、pTE 分化和子宫内膜细胞的附着能力。

Figure 2. mTOR activity regulates TE development
图2 . mTOR 活性调节 TE 发展
(A) 对照胚泡(第 4 天)和 mTORi 处理的(从第 2 天到第 4 天)胚泡上的 EPI (SOX2)、HYPO (GATA4) 和 TE 标记物 (GATA3) 的 IF 染色。 TE,滋养外胚层; EPI,外胚层; HYPO,下胚层。
(B) 对照和 mTORi 母细胞的明场图像。比例尺,200 μm。
(C) 对照和 mTORi 胚泡的结构尺寸的量化。虚线表示中位数,虚线表示四分位数范围。统计检验是非配对t检验。
(D) 对照和 mTORi 母细胞中 CCR7 表达(pTE 标记)的荧光激活细胞分选 (FACS) 图。
(E) 对照和 mTORiblastoids 在指定日期的 NR2F2 染色的平均强度定量。水平线表示中位数,方框跨越第一到第三四分位数,误差线跨越最小到最大值。统计检验是具有多重检验校正的单向方差分析。
(F) 对照和 mTORi 胚泡在子宫内膜细胞上的附着能力的定量。柱高显示平均值,误差线表示标准差。统计检验是具有多重检验校正的单向方差分析。

Figure S2. Further characterization of mTORi-treated blastoids, related to Figures 2 and 3
图S2 。 mTORi 处理的胚泡的进一步表征,与图 2和3相关
(A) 对照上的 SOX2(EPI 标记)、pS6(mTOR 下游靶标)和 mTORi 处理的胚泡的 IF 染色。比例尺,100 μm。
(B) TROP2(TE 标记)和 PDGFRɑ(下胚层标记)在对照和 mTORi 处理的胚泡上的 FACS 图。
(C) 对对照和 mTORi 处理的胚泡进行 SOX2(EPI 标记)、CDX2(TE 标记)和 NR2F2(pTE 标记)的 IF 染色。比例尺,100 μm。
(D) 对照和 mTORi 处理的人胚泡(左)以及小鼠正常和体内滞育囊胚上 mTOR 靶标 pS6 的 IF 染色。比例尺,100 μm。
(E) 对照胚泡和用 RapaLink-1 (mTORi) 或 CHX 以不同剂量处理的胚泡的纵向形态学评分。 n = 胚泡数。
(F) mTORi 和高剂量 CHX 处理的胚泡的明场图像。随着时间的推移,CHX 治疗会损害 ICM(用星号表示)。
(G) 对照、mTORi 处理和 CHX (1,000 ng/μL) 处理的胚泡的明视野图像和 IF 染色。治疗进行了3天。对 EPI 标记(OCT4、SOX2)、HYPO 标记(GATA4、SOX17)和 TE(GATA3)进行染色。比例尺,100 μm。 EPI,外胚层; TE,滋养外胚层; HYPO,下胚层。
(H) 基于对照、mTORi-和 CHX-(1,000 ng/μL) 处理的胚泡的 IF 染色对 ICM 和 TE 中的细胞数量进行定量。统计检验是不配对的双尾t检验。
mTORi activity prolongs the blastocyst-like stage in human blastoids
mTORi 活性延长人胚泡的囊胚样阶段
小鼠滞育通过维持囊胚的形态并限制其组织的增殖和分化来减慢囊胚的发育进程。接下来,我们测试了 mTORi 是否可以通过限制其组织的增殖和分化来延迟完全形成的胚泡的发育进程。为此,在没有任何 mTORi 处理的情况下生成胚泡,并且仅在完全扩增后才接受 mTORi(第 4 天;参见图 S2 D 的有效性)。 mTORi 处理的母细胞在长达 8 天的时间内保留了囊胚腔形态(反映了维持 TE 上皮完整性的观察结果)和可见的 ICM 类似物,其中约 40% 的 mTORi 母细胞在第 5 天保持完整,而未经处理的 mTORi 母细胞为 1%(图 3 A) –3D 和S2 E)。在 mTORi 下,TE 类似物保持低水平增殖,导致囊胚腔进一步扩张,而 ICM 类似物没有增殖(图 3B和S2 E-S2G)。这种囊胚腔的扩张以及 TE 和 ICM 表型的组织增殖的不同动力学先前报道了体内滞育小鼠囊胚的特征7 48 (图 3 C)。 mTORi 处理的人胚泡表达与未处理的胚泡类似的多能和胚胎外谱系标记,表明这些细胞维持谱系定向(图 3E和S2G )。为了研究 mTORi 下保存的囊胚样阶段是否与小鼠体内滞育总体相似,我们将 mTORi 处理的人囊胚(第 3 天;表 S1 )和小鼠囊胚15 (第 5 天)的蛋白质组谱与小鼠的蛋白质组谱进行了比较体内滞育的囊胚。 49为此,我们调查了 179 种在体内滞育期间显着上调的蛋白质的表达(图 3 F)。我们推断,与下调的蛋白质相比,上调的蛋白质构成了更特异的表达特征,可以反映由于活性丧失而导致的默认抑制状态。 mTORi 处理的人胚泡和小鼠囊胚显示出小鼠体内滞育特征的显着富集,其中 41 种蛋白质遵循小鼠和人类体内滞育表达模式,另外分别有 27 种和 23 种小鼠或人类特有的蛋白质。图3F和3G;标准化富集分数:人类为1.33,小鼠为1.36;参见表S2中的核心富集蛋白质。 相比之下,对照囊胚/胚泡与体内小鼠滞育状态呈负相关。我们得出的结论是,mTORi 处理人胚细胞限制了 TE 增殖,显着降低 ICM 增殖,并引发分子上类似于小鼠体内滞育的反应。

Figure 3. Developmental delay of human blastoids in extended pre-implantation culture
图3 .延长植入前培养中人类胚细胞的发育迟缓
(A) 在对照条件下培养或用 mTOR 抑制剂 RapaLink-1 处理的母细胞的明场图像。指定的时间点(第 1-8 天)表示胚泡形成后的培养时间(从 PSC 聚集的第 4 天开始)。
(B) 对照和 mTORi 处理的人类胚细胞与扩展培养中未经处理的胚细胞的明视场图像。右图显示基于 IF 染色的 ICM 和 TE 中细胞数量的量化。虚线表示中位数,虚线表示四分位数范围。
(C) 经 mTORi 处理的小鼠囊胚和体内滞育小鼠囊胚与扩展培养中未经处理的囊胚的明视野图像。右图显示基于 IF 染色的 ICM 和 TE 中细胞数量的量化。虚线表示中位数,虚线表示四分位数范围。比例尺,100 μm。
(D) 在指定的 RapaLink-1 浓度下对照和 mTORi 处理的胚泡的纵向形态学评分。 n ,胚泡数。
(E) EPI 标记 OCT4 和 SOX2、TE 标记 GATA3 以及 HYPO 标记 GATA4 和 SOX17 的 IF 染色。比例尺,100 μm。
(F) mTORi 处理的人胚泡和小鼠胚泡的基因集富集分析 (GSEA)。蛋白质组:滞育包含 179 种蛋白质,这些蛋白质在小鼠体内滞育中显着上调。 49
(G) 滞育期间上调的 113 种蛋白质的热图,并在 mTORi 处理的小鼠囊胚和人类囊胚的蛋白质组中检测到。 41 种蛋白质在所有三种休眠条件下通常都会上调。
Inhibition of translation alone fails to fully recapitulate the effect of mTORi
单独抑制翻译并不能完全重现 mTORi 的作用
mTOR 主要通过核糖体翻译控制细胞生长。为了测试翻译减少对 mTORi 诱导状态的影响程度,我们通过在放线菌酮 (CHX) 中培养胚细胞来直接抑制翻译。在通常用于抑制体外翻译的浓度 (100 ng/μL) 下,CHX 处理不能维持胚细胞形态(图 S2 E)。在高 10 倍的 CHX 剂量 (1,000 ng/μL) 下,胚细胞形态得以维持;然而,与 mTORi 相比,随着时间的推移,ICM 受到损害并丢失细胞(图 S2 E-S2H)。这些观察结果概括了小鼠囊胚34中 CHX 治疗的结果,并表明 mTORi 导致的组织特异性变化超出了翻译减少的范围。为了深入了解这些变化,我们对 CHX 和 mTORi 处理的胚泡(第 3 天)的蛋白质组进行了分析和比较。主成分和 Pearson 相关分析表明,CHX 和 mTORi 蛋白质组彼此比对照胚泡更相似(图 S3 A 和 S3B)。尽管如此,mTORi 和 CHX 诱导的状态是明显可区分的 (PC2: 34.8%),CHX 特征主要与细胞质翻译相关,而 mTORi 特征包含粘附、信号传导和代谢相关蛋白,包括 FOXO1,小鼠滞育的调节因子15 (图 S3 A;与前 200 个差异富集的蛋白质如图 S3 C) 所示。为了进一步比较 mTORi 和 CHX 反应,我们定义了蛋白质组: mTORi ,其中包含 233 种蛋白质,这些蛋白质在 mTORi 与对照母细胞中表达显着差异(图 S3 D;表 S1 、 S2和S3 )。 CHX 处理引起的蛋白质表达变化总体上与蛋白质组:mTORi呈正相关(归一化富集评分:1.3);然而,其中只有 41 个在 CHX 处理的胚泡中显着差异表达(表 S2和S3 )。其余 192 个蛋白质仅在 mTORi 处理的胚泡中显着差异表达,包括代谢(例如,脂肪酸相关的 ACOX1)、细胞粘附(例如,粘附连接 CDH1 和层板相关的 ITGA6、LAMA1/B1)和信号因子(例如,HIPPO 相关的 YAP1、TEAD3)。 这些数据表明,mTORi 诱导的状态包括但不限于翻译,并且休眠状态的诱导可能需要改变粘附、发育信号传导和代谢活动。

Figure S3. Inhibition of translation alone is not sufficient to establish a dormant state, related to Figure 3
图S3 。仅抑制翻译不足以建立休眠状态,与图 3相关
(A) 在对照、mTORi 处理的(第 3 天)或 CHX 处理的(第 3 天)胚泡中检测到的前 500 个可变蛋白的主成分分析。
(B) 对照、mTORi 处理或 CHX 处理的胚细胞的相关矩阵。根据蛋白质组学分析的指定条件,收集了三个重复的~1,000 个胚泡(_1、_2 和_3)。
(C) 使用图 S4 A 的 PC2 中前 200 个基因进行基因本体分析。
(D) CHX 处理的胚泡的基因集富集分析 (GSEA)。基因集 mTORi 包括 233 个基因,与对照相比,这些基因在 mTORi 处理的人胚细胞中显着上调。 mTORi 处理的胚泡作为对照(左)。
mTOR-inhibited blastoids maintain a transcriptome reflecting the blastocyst stage
mTOR 抑制的胚泡维持反映囊胚阶段的转录组
迄今为止,我们的结果表明 TE 和 ICM 中对 mTORi 存在组织特异性反应。为了进一步研究这种反应,我们对对照胚泡(形成第 4 天)和用 mTORi 处理的胚泡(形成第 4 天后处理 3 天,每种条件约 1,000 个胚泡)进行了单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq);图S4 A)。细胞形成三个簇,每个簇包含混合的对照细胞和 mTORi 处理的细胞(图 4 A 和S4 B)。组织特异性标记显示这三个簇代表三个囊胚谱系(图4A 和S4C ;GATA3 代表 TE,NANOG 代表 EPI,PDGFRA 代表下胚层 [HYPO],以及图 S4D中更大的基因集)。为了准确评估这些细胞的发育阶段,我们将这些 scRNA-seq 数据投影到人类胚胎发生的两个参考图上:一个是我们通过结合公开可用的数据集来策划的(图 4B 、 S5A和 S5B;参见STAR 方法) )和另一个由独立财团44建立的(图S5C和S5D)。 该基准测试表明,对照胚泡包含超过 96% 的细胞,其转录组与 E5-6 处的人类囊胚的转录组重叠,正如我们之前报道的36 个(图 4 C、左、4D 和S5 B)。 mTORi 处理的囊胚期的大多数细胞与 E5-6 囊胚期相匹配(55%;图 4 C,右),其中很大一部分 TE 类似物进展至 E7-8 囊胚期(占总数的 35%,占囊胚期的 67.5%)。 TE;图 4 C,右,和S5 B)。这一观察结果与 mTORi 处理的人胚泡以及体内滞育和 mTORi 处理的小鼠囊胚中 TE 的持续增殖相关(图 3 B)。 KRT8 是先前确定的小鼠 TE 分化标记物50 ,在 mTORi 处理的人胚细胞的 TE 类似物中上调(图 S5 E)。与 TE 相比,在 mTOR 抑制下继续发育的 EPI 类似物比例较小(约占总数的 10%,EPI 的 21%)。这些细胞主要反映植入后 E9-10 EPI 和羊膜(图 6 D 和S5 B)。值得注意的是,滞育小鼠囊胚的 EPI 通常在三天后发展成植入后玫瑰花结结构。18 个反映 mTORi 处理的胚泡轻微发育进展的基因包括 HAND1(早期 TE 标记,下调)、KLF4(初始 EPI 标记,下调)、NR2F2(TE 成熟标记,上调)和 DNMT3B(核心 EPI 标记,上调;图4E )。我们得出的结论是,来自经 mTORi 处理的人胚泡的细胞很大程度上保留了反映囊胚阶段的转录组(E5-8 时>90%),与 EPI 相比,TE 更容易增殖,但 EPI 的一个子集更容易分化为囊胚阶段以外的细胞。囊胚阶段。

Figure S4. Further scRNA-seq analysis of control and mTORi blastoids, related to Figure 4
图S4 。对照和 mTORi 母细胞的进一步 scRNA-seq 分析,与图 4相关
(A) scRNA-seq QC 参数。
(B) 单细胞 RNA 测序分析的 UMAP 图,比较对照和休眠(第 3 天)胚芽样本。细胞根据各自的谱系进行颜色编码,并为两组指示每个谱系的比例。
(C) 顶部图显示对照胚泡的每个囊胚谱系的标记表达水平,底部图显示 mTORi 处理的胚泡的标记表达水平。 TE,滋养外胚层; EPI,外胚层; HYPO,下胚层。

Figure 4. mTORi-treated blastoids maintain the cell lineages of the blastocyst
图4 . mTORi 处理的胚泡维持囊胚的细胞谱系
(A) 根据 scRNA-seq 数据生成的 UMAP 图。细胞根据各自的样本和谱系进行颜色编码。右侧的图显示了所示谱系标记的表达水平。 TE,滋养外胚层; EPI,外胚层; HYPO,下胚层。
(B) 左图,综合人类胚胎参考数据的 UMAP,源自从植入前到植入后阶段的七个人类胚胎数据集(参见STAR 方法)。颜色代表出版物中概述的细胞类型注释。右边,数据点根据发育阶段着色。
(C) 将对照(左)和 mTORi 胚细胞(右)投影到参考数据集上。
(D) 对照和 mTORi(第 3 天)胚泡中所示细胞类型的百分比。
(E) 点图显示对照和 mTORi 处理(第 3 天)胚泡中谱系特异性标记基因的表达。点大小对应于样品中表达基因的细胞的百分比,而颜色强度反映了缩放的平均表达水平。

Figure S5. Further scRNA-seq analysis of control and mTORi blastoids using human embryonic reference atlas, related to Figure 4
图S5 。使用人类胚胎参考图谱对对照和 mTORi 胚泡进行进一步的 scRNA-seq 分析,与图 4相关
(A) 综合人类胚胎参考数据的 UMAP,源自七个人类胚胎数据集(参见STAR 方法)。
(B) 根据从人类胚胎参考数据集中获得的细胞注释,对照和 mTORi 处理的人类胚细胞中每种细胞类型的百分比。
(C) 使用在线工具将对照(左)和 mTORi 处理的胚泡(右)的细胞投影到人类胚胎参考图谱上。 44 种颜色对应于从在线胚胎参考数据集中获得的细胞注释。 44
(D) 根据从在线胚胎参考数据集中获得的细胞注释,在对照和 mTORi 处理的人类胚细胞中检测到的每种细胞类型的百分比。 44
(E) KRT8 蛋白的 IF 染色以及 EPI (OCT4) 和 TE (GATA3) 的谱系标记。根据 scRNA-seq 分析,KRT8 是 mTORi 处理的人胚泡中上调的基因之一。
Human PSCs resembling the blastocyst stage adopt a reversible dormant state
类似于囊胚阶段的人类 PSC 采取可逆的休眠状态
滞育主要保留囊胚期左右的哺乳动物胚胎。同样,mTORi 对卵裂期小鼠胚胎的治疗不会阻止卵裂期的发育进程,仅在囊胚期左右起作用。 34我们的结果证实了人类胚细胞中的这些发现(图 2和3 )。为了进一步研究 mTORi 反应对多能细胞的阶段依赖性,我们使用了反映从囊胚到植入后不同 EPI 阶段的 hPSC。 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61对在 PXGL 条件下培养并反映囊胚期 EPI 的初始 hPSC 进行 mTORi 处理,可减缓其增殖,同时保持这种非分化状态的紧凑集落形态(图 5 A) )。 这些细胞可以在 mTORi 下维持至少 18 天(最长测试时间),并用 mTORi 反复释放和再处理,而不会影响集落形态(图 5 A 和S6 A)。因此,mTORi 治疗的效果是可逆的。 mTORi 有效抑制 mTOR 下游靶标,而不损害基因组完整性和多能性标记(图 S6 B-S6E),并且在治疗的第一天细胞凋亡暂时增加(图 5 B)。值得注意的是,mTORi 减少了细胞增殖,但没有阻止细胞周期进展,在小鼠 PSC 中具有类似的结果(图5C 和 5D)。与未处理的细胞相比,这些细胞在细胞周期中进展缓慢,复制过程中核苷酸类似物 EdU 的整合水平较低就证明了这一点(图 5D ,右)。三种不同的催化 mTOR 抑制剂将增殖降低到相似的水平,强调了这种效应的可重复性(图 5 C)。 在 RSeT 培养基中培养的细胞反映了初始多能性和引发多能性之间的中间阶段51 52 55 62 63在 mTORi 下采用低增殖状态,尽管由于整个处理过程中细胞死亡水平较高,因此与 PXGL 培养相比效率低得多(图 5 A 和 5B)。值得注意的是,存活的 RSeT 细胞有一小部分进入 S 期(RSeT 中为 0.55%,PXGL 中为 2.5%;图 S6 E),并在撤除 mTORi 后成功恢复正常增殖(图 5 A)。与此形成鲜明对比的是,在 mTeSR 培养基中培养的引发 PSC(反映 EPI 第 10-14 天)在 mTORi 处理(200 nM RapaLink-1;图 5 A)后 4 天内死亡。我们得出的结论是,在从初始多能性逐渐发展到引发多能性的过程中,mTOR 活性以阶段特异性方式调节 hPSC 增殖。 在分子水平上,在 mTORi 处理下表达发生改变的蛋白质和途径在 PXGL 和 RSeT 条件下从 mTORi 释放后很大程度上逆转了这一趋势(图 5 E-5J;表 S1 、 S4和S5 )。这些变化主要对应于蛋白质合成、细胞分裂和细胞呼吸(mTORi 中下降)以及脂质代谢过程和细胞运输(mTORi 中上升;图5G 和 5H;表 S6中的完整列表)。总而言之,这些数据表明,捕获囊胚阶段的 hPSC 能够通过进入可逆的休眠状态来适应 mTORi,这进一步支持了在人类囊胚和小鼠囊胚中观察到的对 mTORi 的阶段特异性反应。

Figure 5. mTORi places human peri-implantation PSCs in a reversible dormant state
图5 . mTORi 将人类植入周围 PSC 置于可逆休眠状态
(A) 与小鼠 ESC 相比,在 mTORi 治疗之前、期间和之后,初始、初始引发的中间体和引发的多能人类细胞的代表性明场图像。比例尺,500 μm。
(B) RSeT 和 PXGL 培养物中 mTORi 治疗过程中膜联蛋白 V 阳性凋亡细胞的百分比。统计检验是具有多重检验校正的单向方差分析。
(C) 用催化 mTOR 抑制剂 RapaLink-1 和 INK128 处理的 PXGL 培养物中人类 ESC 的增殖曲线。比较显示在INK128中培养的小鼠ESC的增殖率。
(D) mTORi 处理的人和小鼠细胞的细胞周期分布,由 EdU 掺入和 DNA 含量确定。根据双向方差分析,差异不显着。底部示意图显示了基于增殖和 EdU 整合测量的细胞周期和每个阶段的相对持续时间(图 3C和 3D)。
(E 和 F) 在指定条件下 PXGL (E) 和 RSeT (F) 培养物中前 500 个可变蛋白的主成分分析。
(G 和 H) mTORi 处理和释放的 PXGL (G) 和 RSeT (H) 细胞中差异表达蛋白的基因本体分析。显示独特的术语以减少冗余。表 S3中提供了完整的列表。
(I 和 J) 暂停期间下调(左)或上调(右)基因的 K 均值聚类显示 PXGL (I) 和 RSeT (J) 细胞中表达模式的可逆性。显示缩放的 log 2 (LFQ+1.1) 值。显示了 PXGL 和 RseT 条件下最富集的两个簇。 LFQ,无标签定量。

Figure S6. Further characterization of mTORi-treated hPSCs in PXGL and RSeT culture, related to Figure 5
图S6 。 PXGL 和 RSeT 培养物中经 mTORi 处理的 hPSC 的进一步表征,与图 5相关
(A) PXGL 培养物中经过 mTORi 处理、释放和再处理的人类 ESC 的明场图像。细胞需要在长时间暂停期间分裂,以克服 MEF 耗尽和分化的问题。比例尺:500 μm(主图)和 100 μm(插图)。
(B) 相应条件下 DNA 损伤标记 gH2A.X 的水平。作为阳性对照,细胞用 4,000 μJ/sq cm 的紫外线照射 10 秒,并在 6 小时后固定。右图显示单细胞中的平均 gH2A.X 强度。图表显示平均值和标准差。 n ,细胞数量。比例尺,50 μm。统计检验是采用 Tukey 多重检验校正的单向方差分析。 mTORi 处理和释放的 hiPSC 并未显示 DNA 损伤增加。
(C 和 D) mTOR 下游靶标 pS6 (A) 和 pAKT (B) 的 IF 染色。底部面板显示平均单细胞强度。虚线显示中位数,虚线显示四分位数。比例尺,50 μm。执行的统计检验是双尾 Kolmogorov-Smirnov t 检验。
(E) PXGL 和 RSeT 培养物中正常、mTORi 处理(第 6 天)和释放的人类细胞中多能性相关基因 OCT4 和细胞分裂标记物 H3S10p 的水平。右图显示平均单细胞强度。 n ,细胞数量。比例尺,50 μm。统计检验是采用 Tukey 多重检验校正的单向方差分析。
Reactivated blastoids developmentally progress and permit stem cell line derivation
重新激活的胚泡发育进展并允许干细胞系衍生
在子宫内,滞育的小鼠胚胎仍然对重新激活信号做出敏锐的反应,并且可以退出休眠状态以恢复发育。因此,我们研究了母细胞的 mTORi 状态在功能和分子水平上是否可逆(图 6 )。为此,我们首先测试了 mTORi 处理(3 天)然后重新激活(通过抑制剂撤回,从这里开始“重新激活”)进入植入后样阶段的能力。为此,将重新激活的胚泡沉积在基质胶包被的板上,以便在补充有 10% 胎牛血清(FBS;图 6 A)的 CMRL-1066 培养基中进一步生长。在这些条件下,未经处理和重新激活的母细胞同样增殖并产生 EPI (SOX2 + ) 和滋养层 (GATA3 + ) 的早期衍生物,包括进一步分化表达 CGB 的 TE 衍生物(图 6 A)和分泌人绒毛膜促性腺激素 (hCG) )在 2-4 天内(图 6 B)。

Figure 6. Sustained differentiation potential in post-implantation culture of mTORi-treated blastoids
图6 . mTORi 处理的胚泡植入后培养中的持续分化潜力
(A) 休眠后的重新激活和延长植入后培养。用mTORi处理胚泡3天,然后撤回mTORi并将胚泡在基质胶包被的平板上培养。 4 天后,对细胞进行 EPI 标记 SOX2、TE 标记 GATA3 和滋养层分化标记 CGB 染色。比例尺,100 μm。
(B) 妊娠试纸检测 hCG 分泌到对照培养基和在基质胶包被的平板上培养 4 天的重新激活的胚泡(3 天)中。 hCG,人绒毛膜促性腺激素。
(C) scRNA-seq 数据的 UMAP 图,比较对照和重新激活的胚泡的植入后培养物。细胞根据各自的样本和谱系进行颜色编码。
(D) UMAP 图显示所示谱系标记的表达水平。左图,UMAP 簇显示每个谱系的亚群。右图是每个簇和样本中谱系特异性标记基因的表达水平。点的大小对应于表达基因的细胞的百分比,颜色强度反映了缩放后的平均表达水平。
(E) 左,早期人类发育的体内参考图集。对照(中)和重新激活的(右)细胞被投影到该参考图谱上。
(F) 对照和重新激活的胚泡中所示细胞类型的百分比。
为了分析重新激活的母细胞是否产生早期植入后细胞类型,我们进行了 scRNA-seq(mTORi 处理 3 天,然后在植入后培养物中培养 4 天;每种条件下汇集 150-200 个母细胞;图 6和S4 A)。细胞聚集成三个不同的组,表达三个谱系的标记物(图6C-6E;GATA3代表滋养层,PDGFRA代表胚外内胚层,NANOG代表EPI)。对照细胞和重新激活的细胞混合在所有 5 个亚簇中,并显示出相似的基因特征。使用人类胚胎数据集的细胞类型注释揭示了区分重新激活的细胞和具有三个谱系代表的对照细胞之间的高度相似性(图6F )。与我们之前观察到的类似,一些基因表明重新激活的细胞发育进展增强(图6E ;例如,合体滋养层[STB]标记CPM和GADD45G以及内胚层标记SOX17)。这些结果表明 mTORi 不会损害胚细胞的分化能力。
接下来,我们测试了重新激活的胚泡是否可以附着在激素刺激的子宫内膜细胞上。 mTORi 2 天后重新激活时,12% 的母细胞可以附着在这些细胞上,而对照母细胞的这一比例为 29%(图 S7 A)。剩余的重新激活的胚泡由于 TE 脆弱性而崩溃。值得注意的是,95% 的对照第 4 天母细胞和重新激活的母细胞都附着在 Ishikawa 转化的子宫内膜细胞上,与子宫内膜类器官细胞相比,这些细胞相对于物种和激素刺激具有较低的特异性(图 S7 B)。我们得出结论,mTORi 处理的 TE 类似物保留或重新获得了附着子宫内膜细胞的能力,尽管效率低于对照 TE。然后我们测试了重新激活的胚泡是否也允许干细胞的衍生。事实上,我们可以从重新激活的胚泡中衍生出所有三个胚泡谱系的干细胞,其效率与对照胚泡相似(图 S7 C-S7E)。这些结果表明,mTORi 处理的胚泡保留了能够从头建立自我更新细胞系的祖细胞。

Figure S7. Sustained differentiation potential of mTORi-treated blastoids, related to Figure 6
图S7 。 mTORi处理的胚泡的持续分化潜力,与图6相关
(A) 附着在 OFEL 上的对照和重新激活的母细胞的明场图像(左)和附着效率(右)。
(B) 附着在 Ishikawa 细胞系上的对照和重新激活的母细胞的明场图像(左)和附着效率(右)。
(C-E) 对照和 mTORi- 干细胞系中多能性标记物(OCT4 和 SOX2)、TE(GATA3 和 TFAP2C)、下胚层(GATA6 和 GATA4)和 F-肌动蛋白的明场图像和 IF 染色处理过的(第 3 天)胚泡。右图显示了使用的胚泡数量和衍生效率。
总体而言,我们得出的结论是,人类 mTORi 状态的特征是维持胚细胞形态、较慢的增殖以及 EPI 和 TE 类似物的有限分化、小鼠体内滞育特征的蛋白质显着富集以及极性能力降低。 TE 附着在激素刺激的子宫内膜细胞上。我们观察到这些效应是囊胚阶段特有的,并且在功能和分子上都是可逆的,从而使发育得以恢复。这些结果精确指出了 mTOR 活性的组织和阶段特异性活动和功能的保守性,这些活动与休眠、类滞育状态的特征一致。
Diverse routes converge into a shared dormancy response in mouse and human cells
小鼠和人类细胞中的不同途径汇聚成共同的休眠反应
许多哺乳动物将滞育作为其生殖周期的一部分。尽管 mTOR、Myc 和 FOXO 转录因子等关键调控因子似乎发挥着保守的作用,但不同物种的细胞是否通过相似的途径进入休眠状态,或者这种转变是否存在物种特异性要求,尚不清楚。 10 11 15 20 34 64为了确定小鼠和人类体外休眠系统中使用的常见和不同的细胞途径,我们分析了 PSC 和囊胚/胚泡的蛋白质组(图 7 )。休眠细胞的通路表达谱在两个物种中均显示出总体正相关性,休眠小鼠囊胚和人胚泡中上调的通路之间具有特别高的一致性(图7A )。这种“共同向上”的途径包括细胞运输/内吞作用和粘附连接,先前显示它们在体内滞育小鼠胚胎中发生改变15 (图7B )。 转录、翻译和输出相关的细胞合成代谢途径通常被下调,凸显了在休眠期间保存能量的必要性(图 7 B)。信号和代谢途径似乎在人和小鼠细胞中的使用有所不同,例如,脂肪酸降解和相关因子 FOXO 和 PPAR 在小鼠中上调,而半乳糖代谢和 JAK-STAT 信号因子在 hPSC 中尤其增加(图 7 B) )。这些结果支持这样的模型:向休眠的转变是一个主动调节的多步骤过程,其不仅仅是减少细胞能量消耗。

Figure 7. Regulatory pathways in human and mouse dormancy
图 7 .人类和小鼠休眠的调节途径
(A) 密度图显示 mTORi 中人类和小鼠细胞(顶部)或胚胎/胚细胞(底部)相对于对照的通路表达水平。 mTORi 响应的途径和蛋白质改变显示物种之间具有统计学上显着的相关性。达到稳定休眠状态后收集ESC(小鼠第4天,人类第8天)。 R ,Spearman 的 rho 相关系数。
(B) mTORi 处理的人和小鼠 ESC 和胚泡/胚泡中的常见和物种丰富途径。表 S4提供了完整的途径列表。
(C) 经过所示处理的 hPSC 的 IF 染色。 H3S10p,有丝分裂标记; pS6,mTOR 靶标; OCT4,多能性标记。比例尺,20 μm。
(D) 每种条件下分裂 (H3S10p + ) 细胞的百分比。具有多重检验校正的单向方差分析统计检验。
(E) 经指定处理的初始 hPSC 的增殖曲线。
(F) 总结小鼠和人类休眠反应的工作模型。
小鼠细胞可以通过多种方法进入休眠状态,例如激素调节或母体饥饿、mTOR 抑制和 microRNA (miRNA) 过表达。 5 14 17 34 65 66为了设计人类细胞进入休眠状态的替代途径,我们测试了营养消耗(即减少合成代谢)、半乳糖代谢(以潜在支持休眠细胞的能量需求,如蛋白质组分析所预测的那样)的影响)和抑制 IGF 受体(以消除 ICM 解释的生长信号,如图 1所示)。单独抑制 IGFR(表示为“IGFRi”)和营养消耗(表示为“减少”)可将有丝分裂中 hPSC 的百分比从正常 PXGL 培养物中的约 17% 分别降低至约 8% 和 4%(图7C 和 7D) 。单独补充半乳糖不会改变细胞增殖(图 7D和 7E),表明它是一种支持功能,而不是休眠的驱动因素。在含有 IGFRi 和半乳糖的还原培养基中培养 hPSC 会产生增殖减少和稳定的集落,一旦返回标准培养基,集落就会恢复增殖(图7C-7E)。 我们的结论是,人类 PSC 可以通过其他途径进入休眠状态,并且不同物种的休眠状态可以通过根据物种特定的代谢需求采用不同的培养条件来增强(图 7 F)。
Discussion 讨论
许多哺乳动物使用滞育作为在子宫内长时间维持受精胚胎的策略。大多数物种的胚胎在囊胚阶段进入滞育。在滞育期间,胚胎切换到休眠状态,其特征是低能量状态,(1)限制增殖,(2)维持发育能力,(3)保持对重新激活线索的敏锐反应。值得注意的是,尽管胚胎在形态上不会前进超过囊胚阶段,但囊胚内的组织最初(例如,在小鼠中)或持续地(例如,在狍中)维持残余增殖。此外,胚胎子集的 EPI 会产生通常归因于早期植入后胚胎的玫瑰花结。 18因此,滞育似乎会抑制而不是阻止胚胎的发育进程。在这里,我们证明人类 PSC 和胚泡可以响应 mTOR 抑制进入类似滞育的休眠状态,这种状态在培养物中最多持续 8 天。 mTORi 处理的人胚细胞的增殖、发育进程和附着于激素刺激的子宫内膜细胞的能力有限。 mTORi 处理的胚泡可以产生三个囊胚谱系的干细胞衍生物,并且可以在植入后培养条件下继续分化。这些观察结果与许多物种启动滞育的能力相关,特别是在囊胚阶段。
众所周知,人类胚胎在早期发育过程中的进展能力存在很大差异,估计有 1/3 的妊娠因遗传和非遗传异常而在妊娠早期失败。 67 68在这种背景下,我们的结果对技术进步以及对人类早期胚胎发生的基本理解具有几个重要意义:(1) 通过补充 IGF1 刺激 mTOR/磷脂酰肌醇 3-激酶 (PI3K) 通路活性可能会促进细胞增殖和提高囊胚形成率,支持早期发现69 70 71 ; (2) 在囊胚阶段抑制 mTOR 通路可能会为辅助生殖技术过程中胚胎的表征和评分或与母亲激素周期的同步提供宝贵的延长时间窗口; (3) 休眠 hPSC 和胚泡可用于了解支持多能性长期维持的因素(类似于 LIF 在小鼠多能性中的作用48 )。
休眠的 hPSC 和母细胞保留在 mTORi 撤除后重新激活的能力。然而,囊胚样和植入周围样 hPSC 的起始群体在进入和维持休眠的能力方面表现出异质性。这种异质性的根本原因仍有待探索。我们推测,由于细胞周期阶段或治疗时的转录状态等原因,细胞所处的不同状态可能是影响因素。 72我们注意到,与小鼠胚胎干细胞 (ESC) 相比,人类 PSC 的细胞凋亡水平更高,需要定期使用 ROCK 抑制剂来稳定,特别是在传代时。因此,与小鼠 ESC 相比,在 mTORi 下维持 hPSC 更具挑战性。在本手稿测试的条件中,PXGL 介质为进一步研究多能人类细胞的休眠调节提供了更稳定的平台。然而,建议比较不同的多能状态以及使用胚泡进行休眠调节剂的功能测试。
近年来,调控翻译成为连接干细胞活动与微环境的重要新参与者。 73 74 75翻译下调是此处观察到的休眠反应的主要组成部分之一。然而,在小鼠中,胚胎和细胞都不能仅通过抑制翻译来进入休眠状态。 34人类胚细胞也是如此,在长期抑制翻译后,其 EPI 会恶化。这些结果表明 mTOR 通路活性以组织特异性方式进行定量调整,并且其影响超出了翻译范围。基于 mTORi 的代谢重新布线似乎是维持休眠状态的必要组成部分。 15 mTOR 上游的营养物质或生长因子(例如 IGF1)的选择性消耗可能会引发人类 mTOR 抑制和休眠。由于 IGF1 的表达依赖于雌激素,而雌激素剥夺会引发子宫不接受子宫,从而导致小鼠滞育,因此 IGF1 耗竭可能是滞育的主要上游调节因子。因此,人类囊胚虽然可能不会经历滞育,但可能具有调节 mTOR 活性的能力,以在植入前调节 ICM 和 TE 的生长和发育。 mTOR 活性的这种加快早期发育速度的特性可能是人类胚胎中保留的进化过程的遗产,尽管不一定用于滞育,但可能有助于人类囊胚发育和植入的时间。
Limitations of the study 研究的局限性
我们使用人类 PSC 和胚泡得出的结果是我们对保存的人类休眠反应的结论所依据的。人类囊胚在形态和转录水平上密切代表人类囊胚。然而,还需要进一步的实验来直接评估人类囊胚进入和承受符合滞育特征的休眠状态的能力。由于人类囊胚发育时间的固有变异性,需要大量胚胎才能得出统计相关的结论。在这种情况下,反应的功能可逆性至关重要。
在小鼠和人类系统中,mTOR 可能只是休眠调节的组成部分之一。尽管 mTORi 足以触发休眠,但正如我们最近在小鼠胚胎中所证明的那样,可以通过进一步的分子和功能分析来改善休眠培养系统。 15 16 17在当前条件下,TE 的残余增殖和发展导致结构脆弱且容易崩溃,限制了重新激活后的功能。进一步优化培养条件可能会克服这些限制。
Resource availability 资源可用性
Lead contact 铅接触
有关资源和试剂的更多信息和请求应直接联系首席联系人 Aydan Bulut-Karslioğlu ( aydan.karslioglu@molgen.mpg.de )。
Materials availability 材料可用性
这项研究并没有产生新的、独特的试剂。
Data and code availability
数据和代码可用性
- •Single-cell RNA-seq and proteomics data have been deposited at GEO and to the ProteomeXchange Consortium (http://proteomecentral.proteomexchange.org) via the PRIDE partner repository,76 respectively, and are publicly available as of the date of publication. This paper also analyzes existing, publicly available data. All accession numbers are listed in the key resources table. Microscopy data reported in this paper will be shared by the lead contact upon request.
单细胞 RNA 测序和蛋白质组学数据已存放在 GEO 和 ProteomeXchange 联盟 ( http://proteomecentral.protomexchange.org) )通过 PRIDE 合作伙伴存储库分别76 ,并且自发布之日起可公开获取。本文还分析了现有的公开数据。所有入藏号都列在关键资源表中。本文报告的显微镜数据将根据要求由主要联系人共享。 - •This paper does not report original code.
本文不报告原始代码。 - •Any additional information required to reanalyze the data reported in this paper is available from the lead contact upon request.
重新分析本文报告的数据所需的任何其他信息可根据要求向主要联系人提供。
Acknowledgments 致谢
我们感谢 Rivron 和 Bulut-Karslioğlu 实验室的成员 Ludovic Vallier、Michelle Percharde 和 Helene Kretzmer 提供的重要反馈,感谢 MPIMG 科学设施提供的优质服务。我们还感谢 VBC Biooptics、蛋白质组学和下一代测序设施提供的出色服务,并感谢 Giovani Sestini 在图像分析方面提供的帮助。出于开放获取的目的,作者已申请CC BY公共版权许可。该项目得到了德国学术交流服务(DAAD)博士奖学金( 91730547至DPI)、瑞士国家科学基金会早期博士后流动奖学金( P2EZP3_195682至VAvdW)、 Wellcome HDBI计划(英国人类发育生物学计划360G-Wellcome- 215116_Z_18_Z至 TR 和 KKN),欧洲研究理事会(ERC) 根据欧盟地平线 2020 研究和创新计划(ERC-Co 资助协议编号101002317 ,“ BLASTOID:早期人类胚胎发生的发现平台”至 NR), Marie斯克沃多夫斯卡-居里赠款协议101026451 HHK、奥地利科学基金(FWF) 通过 Lise Meitner 计划(项目编号M3131-B至 HHK)、马克斯·普朗克学会(EGS 和 AB-K.)以及Sofja Kovalevskaja 奖(洪堡基金会) AB-K。在KKN实验室工作 该项目得到了弗朗西斯·克里克研究所 (Francis Crick Institute)的支持,该研究所的核心资金来自英国癌症研究中心 ( FC001120 )、英国医学研究委员会( FC001120 ) 和Welcome Trust ( FC001120 )。
Author contributions 作者贡献
概念化、DPI、HHK、VAvdW、NR 和 AB-K。;调查、DPI、HHK、VAvdW、HK、TR、CSS、SEW、AM 和 ID;形式分析、VAvdW、SJP 和 MN;可视化、DPI、HHK、VAvdW、TR 和 CSS;写作——原稿、DPI、HHK、VAvdW、NR 和 AB-K。写作 – 审阅和编辑、DPI、HHK、VAvdW、SJP、NR 和 AB-K。资源、EGS、KE、PS 和 LC;资金收购、DPI、HHK、VAvdW、KKN、NR 和 AB-K。;监督、KKN、NR 和 AB-K。
Declaration of interests 利益申报
奥地利科学院分子生物技术研究所已提交专利申请EP21151455.9,描述了人类母细胞形成的方案,HHK、HK和NR是该专利的发明人。
STAR★Methods STAR★方法
Key resources table 关键资源表
REAGENT or RESOURCE | SOURCE | IDENTIFIER |
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Antibodies | ||
Mouse anti-Oct3/4 (C-10) monoclonal antibody | Santa Cruz Biotechnology | Cat# sc-5279, RRID:AB_628051 |
Rabbit anti-GATA-3 polyclonal antibody | Santa Cruz Biotechnology | Cat# sc-9009, RRID:AB_640893 |
Rat anti-Gata-4 monoclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | Cat# 14-9980-82, RRID:AB_763541 |
Rat anti-SOX2 monoclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | Cat# 14-9811-82, RRID:AB_11219471 |
Mouse anti-hCG beta monoclonal antibody | Abcam | Cat# ab9582, RRID:AB_296507 |
Human AP-2 gamma Antibody | R and D Systems | Cat# AF5059, RRID:AB_2255891 |
Rabbit anti-Phospho-S6 Ribosomal Protein (Ser235/236) (D57.2.2E) monoclonal antibody | Cell Signaling Technology | Cat# 4858, RRID:AB_916156 |
Goat anti-human Sox17 polyclonal antibody | R and D Systems | Cat# AF1924, RRID:AB_355060 |
Rabbit anti-NR2F2 monoclonal antibody | Abcam | Cat# ab211776, RRID:AB_2893028 |
Mouse anti-CDX-2 monoclonal antibody | BioGenex | Cat# MU392-UC, RRID:AB_2335627 |
Human TROP-2 antibody, Alexa Fluor® 488-conjugated | R and D Systems | Cat# FAB650G, RRID:AB_3101996 |
PDGF Receptor α (D13C6) monoclonal antibody, Alexa Fluor® 647-Conjugated | Cell Signaling Technology | Cat# 5876, RRID:AB_2797623 |
CD197 (CCR7) monoclonal antibody (3D12), PE-Conjugated | Thermo Fisher Scientific | Cat# 12-1979-42, RRID:AB_10670625 |
Rat anti-Cytokeratin 8 antibody | DSHB | Cat# TROMA-I, RRID:AB_531826 |
Rabbit anti-phospho AKT (Ser473) (D9E) XP monoclonal antibody | Cell Signaling Technology | Cat# 4060, RRID:AB_2315049 |
Purified mouse anti-Ki-67 | BD Pharmingen/BD Biosciences | Cat#556003; RRID:AB_393778 |
Rabbit anti-Histone H3 (phospho S10) polyclonal antibody | Abcam | Cat#ab5176; RRID:AB_304763 |
Rabbit anti-Nanog recombinant monoclonal antibody [EPR2027(2)] | Abcam | Cat# ab109250; RRID:AB_10863442 |
Alexa Fluor® 488 anti-H2A.X Phospho (Ser139) Antibody | Biolegend | Cat#613405; RRID:AB_528914 |
Phospho-4E-BP1 (Thr37/46) (236B4) Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | Cat# 2855; RRID:AB_2292749 |
Goat anti-NANOG polyclonal antibody | R and D Systems | Cat# AF1997, RRID:AB_355097 |
Goat anti-Gata-3 polyclonal antibody | R and D Systems | Cat# AF2605, RRID:AB_2108571 |
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor™ 568 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A10042, RRID: AB_2534017 |
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor™ 488 | Thermo Fisher Scientific | Cat# 21202, RRID: AB_141607 |
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor™ 647 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A-31571, RRID:AB_162542 |
Donkey anti-Goat IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor™ 647 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A-21447, RRID:AB_2535864 |
Donkey anti-Rat IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor™ 488 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A-21208, RRID:AB_2535794 |
Chemicals, peptides, and recombinant proteins | ||
Recombinant Human IGF-I/IGF-1 Protein, CF | R and D Systems | Cat#291-G1 |
DMEM/F-12 | Media lab, in-house, Vienna Biocenter | N/A |
Neurobasal medium | Media lab, in-house, Vienna Biocenter | N/A |
DMEM high glucose | Media lab, in-house, Vienna Biocenter | N/A |
GlutaMAX | Gibco | Cat#35050038 |
Sodium pyruvate | Gibco | Cat#11360070 |
HEPES | Media lab, in-house, Vienna Biocenter | N/A |
β-Mercaptoethanol | Gibco | Cat#31350010 |
Penicillin/streptomycin | Sigma | Cat#P0781 |
MEM non-essential amino acid (NEAA) | Gibco | Cat#11140035 |
N-2 supplement | Gibco | Cat#17502048 |
B-27 supplement | Gibco | Cat#17504044 |
BSA (35%) | Sigma | Cat#A7979 |
Fetal bovine serum (FBS) | Sigma | Cat#F7524 |
Fetal bovine serum (FBS) | Gibco | Cat#16140 |
Phosphate buffered saline (PBS) | Media lab, in-house, Vienna Biocenter | N/A |
Gelatin solution | Sigma | Cat#G1393 |
Accutase | BioLegend | Cat#423201 |
TrypLE Express Enzyme (1×), no phenol red | Gibco | Cat#12604039 |
Mirdametinib (PD0325901) | MedChemExpress | Cat#HY-10254 |
XAV-939 | MedChemExpress | Cat#HY-15147 |
Gö 6983 | MedChemExpress | Cat#HY-13689 |
Human leukemia inhibitory factor | In-house, Vienna Biocenter | N/A |
A 83-01 | MedChemExpress | Cat#HY-10432 |
1-Oleoyl Lysophosphatidic Acid | BioGems | Cat#2256236 |
Y-27632 dihydrochloride | MedChemExpress | Cat#HY-10583 |
CMRL Medium, no glutamine | Gibco | Cat#21530027 |
Progesterone | Sigma | Cat#P8783 |
β-Estradiol | Sigma | Cat#E2758 |
Corning® Matrigel® Growth Factor Reduced (GFR) | Corning | Cat#356231 |
Pierce™ 16% Formaldehyde (w/v), Methanol-free | Thermo Fisher Scientific | Cat#28906 |
Insulin-Transferrin-Selenium-Ethanolamine (ITS -X) (100X) | Gibco | Cat#51500056 |
EGF Protein | MedChemExpress | Cat#HY-P7109 |
Valproic acid sodium salt | Sigma | Cat#P4543 |
Laduviglusib (CHIR-99021) | MedChemExpress | Cat#HY-10182 |
L-Ascorbic acid | Sigma | Cat#A4403 |
SB-431542 | MedChemExpress | Cat#HY-10431 |
Geltrex™ LDEV-Free, hESC-Qualified, Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Gibco | Cat#A1413301 |
Insulin-Transferrin-Selenium | In-house, Vienna Biocenter | N/A |
N-acetyl-L-cysteine | Sigma | Cat#A9165 |
Nicotinamide | Sigma | Cat#N0636 |
Recombinant FGF2-G3 protein | Qkine | Cat#Qk053 |
Recombinant human HGF (NK1) protein | Qkine | Cat#Qk013 |
Recombinant FGF-10 protein | Qkine | Cat#Qk003 |
SB 202190 | MedChemExpress | Cat#HY-10295 |
R-Spondin1-conditioned medium | In-house, Vienna Biocenter | N/A |
Noggin-conditioned medium | In-house, Vienna Biocenter | N/A |
Triton X-100 | Sigma | Cat#X100 |
Tween 20 | Sigma | Cat#P1379 |
TrypLE™ Select Enzyme (10X), no phenol red | Gibco | Cat#A1217702 |
μ-Slide 18 Well Flat dish | Ibidi | Cat#81826 |
SYTOX AADvanced | Thermo Fisher Scientific | Cat#S10274 |
Annexin V Ready Flow Conjugates for Apoptosis Detection | Thermo Fisher Scientific | Cat#R37174 |
Fx-Cycle violet | Thermo Fisher Scientific | Cat#F10347 |
INK128 | MedChemExpress/Biozol | Cat#MCE-HY-13328 |
mTeSR | StemCell Technologies | Cat#85850 |
RSeT | StemCell Technologies | Cat#05975 |
RapaLink-1 | Apexbio/Biozol | Cat#APE-A8764 |
Torin1 | Abcam | Cat#ab218606 |
Galactose | Sigma | Cat#G5388 |
Linsitinib(IGF-1R) | MedChemExpress/Biozol | Cat#HY-10191 |
Vectashield with DAPI | Vector Labs | Cat#H-2000 |
Critical commercial assays | ||
meditrol hCG Schwangerschaftstest | Medichem | Cat#159083 |
Click-iT EdU Alexa Fluor 488 Flow Cytometry Assay kit | Thermo Fisher Scientific | Cat#C10425 |
iST 96x | PreOmics | Cat#P.O.00027 |
EasySep™ Dead Cell Removal (Annexin V) Kit | Stem Cell Technologies | Cat#17899 |
NC-Slide A8™ | ChemoMetec | Cat#942-0003 |
Solution 18, AO DAPI Staining Reagent | ChemoMetec | Cat#910-3018 |
Chromium Next GEM Single Cell 3ʹ LT Kit v3.1 | 10x Genomics | Cat#PN-1000325 |
Chromium Next GEM Chip L Single Cell Kit | 10x Genomics | Cat#PN-1000321 |
Chromium Next GEM Single Cell 3’ GEM, Library & Gel Bead Kit | 10x Genomics | Cat#PN-1000128 |
Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit | 10x Genomics | Cat#PN-1000127 |
Deposited data | ||
scRNA-seq | This paper | GEO: GSE267302 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.03.02325 | EBI: E-MTAB-3929 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1038/s41586-019-1500-077 | GEO: GSE109555 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.04.03178 | GEO: GSE171820 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.04.02747 | EBI: PRJEB30442 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1038/s41586-019-1875-y79 | GEO: GSE136447 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1038/nsmb.266026 | GEO: GSE36552 |
scRNA-seq | https://doi.org/10.1038/s41586-021-04158-y80 | EBI: E-MTAB-9388 |
Proteomics data | This paper | PRIDE: PXD036258, PXD029513, PXD052209. Dataset PXD036258 contains more time-point data than presented in the figures. |
Experimental models: Cell lines | ||
WAe009-A, H9 female human ESC | WiCell Research Institute (WA) | WAe009-A (RRID:CVCL_9773) |
Ishikawa cell line | Sigma-Aldrich | 99040201-1VL |
ES-E14 male mouse ESC | Sarah Kinkley Lab, Max Planck Institute for Molecular Genetics | RRID:CVCL_C320 |
Zip13k2 female human iPSCs | Franz-Joseph Müller Lab, for Molecular Genetics | RRID:CVCL_UF44 |
Endometrial organoids | Hossein Baharvand Lab, Royan Institute for Stem Cell Biology and Technology | N/A |
Experimental models: Organisms/strains | ||
Mouse: wild-type: CD1 | In-house, Max Planck Institute for Molecular Genetics | N/A |
Mouse: wild-type: C57Bl/6xCBA | In-house, Max Planck Institute for Molecular Genetics | N/A |
Software and algorithms | ||
FIJI | Schindelin et al.81 | https://imagej.net/software/fiji/ |
FlowJo V10 | FlowJo, LLC | https://www.flowjo.com/ |
Adobe Creative Suite | Adobe | https://www.adobe.com/creativecloud.html# |
Rstudio | Rstudio | https://rstudio.com |
Prism 8 | Graphpad Software Inc. | https://www.graphpad.com |
Cellranger | 10X Genomics | https://support.10xgenomics.com/single-cell-gene-expression/software/pipelines/latest/installation |
Spectronaut 18.5 | Biognosys | https://biognosys.com/resources/spectronaut-18/ |
MS2Go | In-house, Vienna Biocenter | N/A |
MaxQuant software | Cox and Mann82 | https://www.maxquant.org |
The Differential Enrichment analysis of Proteomics data (DEP) package | Zhang et al.83 | https://doi.org/10.18129/B9.bioc.DEP |
ggplot2 | Wickham et al.84 | https://ggplot2.tidyverse.org/ |
clusterProfiler R package | Yu et al.85 and Wu et al.86 | https://git.bioconductor.org/packages/clusterProfiler |
Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) | Subramanian et al.87 | https://doi.org/10.1073/pnas.050658010 https://www.gsea-msigdb.org/gsea/index.jsp |
Bitplane IMARIS 9.7.0 software | Oxford Instruments | https://imaris.oxinst.com/support/imaris-release-notes/9-7-0 |
FACSDIVA Software v8.0.1 | BD Biosciences | https://www.bdbiosciences.com/en-us/products/software/instrument-software/bd-facsdiva-software |
A Comprehensive Human Embryogenesis Reference Tool using Single-Cell RNA-Sequencing Data | Zhao et al.44 | https://doi.org/10.1101/2021.05.07.442980 |
DiaNN (v1.8) | Demichev et al.88 | https://doi.org/10.1038/s41592-019-0638-x https://github.com/vdemichev/DiaNN |
batchelor v1.18.1 | Haghverdi et al.89 | https://doi.org/10.18129/B9.bioc.batchelor |
Seurat v5 | Hao et al.90 | https://github.com/satijalab/seurat |
SeuratWrappers v0.3.5 | Satija Lab, New York Genome Center | https://github.com/satijalab/seurat-wrappers |
scran package v1.30.2 | Lun et al.91 | https://bioconductor.org/packages/release/bioc/html/scran.html |
ggscatter | Alboukadel Kassambara | https://doi.org/10.32614/CRAN.package.ggpubr |
Zen Black software v2.3 | Zeiss | https://www.zeiss.com/microscopy/en/products/software/zeiss-zen.html |
Zen Blue software v2.3 | Zeiss | https://www.zeiss.com/microscopy/en/products/software/zeiss-zen.html |
CellProfiler software v4.2.1 | Carpenter et al.92 | https://cellprofiler.org/ |
Prism v9 | GraphPad | https://www.graphpad.com |
Other | ||
Evos M7000 | Invitrogen | AMF7000 |
timsTOF SCP mass spectrometer | Bruker | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/mass-spectrometry/timstof/timstof-scp.html |
Experimental model and study participant details
实验模型和研究参与者详细信息
Ethics statement 道德声明
根据英国人类受精和胚胎管理局 (HFEA) 许可证号 R0162,经知情同意,将人类胚胎捐赠给该研究项目。还获得了卫生研究局剑桥中央研究伦理委员会的批准,IRAS 项目 ID 272218(剑桥中央参考号 19/EE/0297)。批准过程需要独立的同行评审以及 HFEA 执行许可小组和执行委员会的批准。我们的研究符合 HFEA 实践守则,并且自获得许可证以来已经接受了独立的 HFEA 检查。从 Bourn Hall Clinic 获得了患者的同意。所有在体外受精治疗后捐赠剩余胚胎的夫妇都获得了知情同意。在给予同意之前,向捐助者提供了有关研究项目的所有必要信息、接受咨询的机会以及许可证和 HFEA 业务守则中适用的条件的详细信息。具体来说,患者签署了一份同意书,授权使用其胚胎进行研究,包括干细胞衍生,并将这些研究的结果发表在科学期刊上。没有为捐赠提供经济诱因。向患者提供的患者信息表和同意文件是公开的( https://www.crick.ac.uk/research/az-researchers/researchers-ko/kathy-niakan/hfea-licence/ )。胚胎被冷冻保存、捐赠并转移到弗朗西斯·克里克研究所,在那里它们被解冻并用于研究项目。独立于胚泡和 PSC 实验收集数据,以研究 IGF 的作用。
Human embryo culture 人类胚胎培养
通过将吸管中的内容物从液氮中直接快速转移到解冻溶液(Irvine Scientific Vitrification Thaw Kit)中来解冻冷冻在吸管中的玻璃化胚胎,并按照制造商的说明进行解冻。将冷冻在低温容器中的胚胎在 37°C 水浴中解冻 3 秒,然后转移到解冻溶液(Irvine Scientific 玻璃化解冻套件)中。在液氮下除去小瓶顶部后,将玻璃安瓿中冷冻的胚胎在 37°C 水浴中完全解冻。将内容物倒空到培养皿中,并按照制造商的说明通过蔗糖溶液梯度(Quinn's Advantage Thaw Kit,Origio)转移胚胎。胚胎常规在补充有 5 mg/mL LifeGlobal 人类蛋白质补充剂(均为 LifeGlobal)的 Global Media 中培养,并在 37°C 和 5% CO 2的培养箱中预平衡过夜。这些条件补充了终浓度为 1.7 或 17 nM 的 IGF1(291-G1/CF,R&D)。由于资源有限,尚未研究性别对结果的影响。结果对两性的适用性可能有限。
Human ESC and blastoid experiments
人类ESC和胚泡实验
根据德国干细胞法案的要求,所有涉及 hESC 和/或 hESC 衍生胚泡的实验均得到柏林罗伯特科赫研究所和奥地利科学院科学伦理委员会的批准。 Wicell 雌性系 H9 (RRID:CVCL_9773) 根据协议 20-WO-341 用于题为“模拟早期人类发育:建立基于干细胞的人类胚泡(胚泡)3D体外模型”的研究项目。这项工作没有超过通常与受精后连续培养 14 天相关的发育阶段,尽管就胚胎模型而言 ISSCR 指南并未禁止这样做。所有实验均遵守所有相关指南和法规,包括 2021 年 ISSCR 指南,该指南禁止将人类胚细胞转移到任何子宫中。 93
Mouse experiments 小鼠实验
所有动物实验均根据当地动物福利法进行,并获得地方当局 Landesamt für Gesundheit und Soziales(许可证号 ZH120、G0284/18 和 G021/19)和英国内政部(许可证号 70/8560)的批准。 1986 年动物(科学程序)法的条件。使用 8-12 周龄的 F1 (C57Bl/6xCBA) 或 CD1 雌性。使用八周龄或以上(C57Bl/6xCBA)F1 或 CD1 雄性小鼠。将小鼠饲养在单独通风的笼子(Techniplast)中,并在床上用品(S-SELECT-09322)上进行 12 小时的暗/光循环,并随意进食(Ssniff,V1124-300)。由于资源有限,尚未研究性别对结果的影响。结果对两性的适用性可能有限。
Stem cell lines and culture conditions
干细胞系和培养条件
细胞系尚未经过验证。细胞定期检测支原体呈阴性。由于资源有限,尚未研究性别对结果的影响。结果对两性的适用性可能有限。
Primed human PSC cell culture
引发的人 PSC 细胞培养
野生型 Zip13k2 雌性 hiPSC (RRID:CVCL_UF44) 在接种当天在补充有 10 μM ROCK 抑制剂 (ROCKi) (Tocris, 1254) 的 mTeSR 培养基中的 Matrigel 包被板 (Corning, 354277) 上无饲养层培养。解冻后第二天撤回ROCKi,每天更换培养基,并且每四天传代细胞一次。每次传代时,使用 EDTA 将细胞解离为团块,并以 1:5 的分流比重新铺板,加入 10 μM ROCKi。将细胞维持在37°C、20% O 2和5% CO 2培养箱中。
Naive-primed intermediate (RSeT)
天然引发的中间体 (RSeT)
为了获得幼稚样细胞,将引发的 hiPSC 以中等密度(1:3-1:4,75% 汇合的 10 cm 板)铺在基质胶包被的培养皿(Corning,354277)上,并在 mTeSR 培养基中于37°C,20% O 2 、5% CO 2中。 24小时后,将mTeSR培养基更换为RSeT TM无饲养培养基(Stem Cell Technologies, 05975),并将细胞在37℃、5% O 2 、5% CO 2中培养。细胞至少传代3次才能完全重编程至幼稚状态。在每次传代时,使用TrypLE (Thermo Fisher Scientific, 12604-021)解离细胞,并将10 6 个细胞接种到含有5 μM ROCKi的10 cm培养皿上。 ROCKi 在解冻后第二天被撤回。
Naive human PSC culture (PXGL)
原始人类 PSC 培养 (PXGL)
H9 hESC 培养在明胶包被的板上,包括 PXGL 培养基中经丝裂霉素处理的小鼠胚胎成纤维细胞 (MEF) 的饲养层。 PXGL 培养基使用补充有 PD0325901(1 μM, MedChemExpress, HY-10254)、XAV-939 (2 μM, MedChemExpress, HY-15147)、Gö 6983 (2 μM, MedChemExpress, HY-13689) 和人的 N2B27 基础培养基制备。白血病抑制因子(hLIF,10 ng ml−1,内部制造)。 N2B27 基础培养基含有 DMEM/F12 (50%, GIBCO, 11320-074)、神经基底培养基 (50%, GIBCO, 21103-049)、N-2 补充剂 (Thermo Fisher Scientific, 17502048)、B-27 补充剂 (Thermo Fisher Scientific, 17504044)、GultaMAX 补充剂 (Thermo Fisher Scientific, 35050-038)、非必需氨基酸、2-巯基乙醇 (100 μM, Thermo Fisher Scientific, 31350010) 和牛血清白蛋白溶液 (0.45%, Sigma-Aldrich, A7979-50ML)。细胞常规培养在低氧室(5% CO 2 、5% O 2 )中,并每三到四天作为单细胞传代。所有细胞系的支原体常规检测均为阴性。
Mouse ESC culture 小鼠ESC培养
将 ES-E14 雄性 ESC (RRID:CVCL_C320) 铺在 0.1% 明胶包被的培养皿上,并在含有补充有 15% FBS (Thermo Fisher Scientific, 2206648RP)、1x NEAA 的 Glutamax 培养基 (Thermo Fisher Scientific, 31966047) 的 DMEM 高葡萄糖中生长(Thermo Fisher Scientific, 11140-035)、1x β-巯基乙醇 (Thermo Fisher Scientific, 21985023)、1x 青霉素/链霉素 (Life Technologies, 15140148) 和 1000U/mL LIF,在 37°C、20% O 2和 5 中生长%CO 2培养箱。每次传代时,使用 TrypLE (Thermo Fisher Scientific, 12604-021) 分离细胞,并每日更换培养基。
Method details 方法详情
mTORi treatments mTORi 治疗
Primed 已涂底漆
在 mTeSR 培养基中用催化 mTOR 抑制剂 INK128 (MedChemExpress/Biozol, MCE-HY-13328) 以 200 nM 终浓度和 10 μM ROCKi 处理细胞 1 天。第二天,撤回 ROCKi,将细胞在含有 INK128 的培养基中培养六天,每天更换培养基。
Primed-naive intermediate
未处理过的中间体
将10 6 个细胞铺板并在没有饲养层的RSeT培养基中生长。媒体每隔一天更换一次。培养第四天(菌落直径约为100μm),添加含有200nM INK128和5μM ROCKi的培养基一天,然后更换为仅含有200nM mTORi的培养基。媒体每天都会更换。
Naive 幼稚的
对 4x10 5 个细胞进行计数并铺板到含有 10 mM ROCKi、Matrigel 和 200 nM INK128 的 PXGL 培养基中的汇合 MEF 上一天。第二天,用 PXGL 和 200 nM INK128 补充培养基。为了验证 INK128 的效果,RapaLink-1(Biozol,APE-A87764)的使用浓度为 200 nM,Torin1(Abcam,ab218606)的使用浓度为 200-1000 nM。为了在没有 mTORi 的情况下诱导休眠,将细胞培养在补充有 20 mM 半乳糖(Sigma,G5388)和 5μM IGFRi(MedChemExpress,HY-10191)的还原 PXGL 培养基(N2 和 B27 原始浓度的 1/2)中。
Mouse ESCs 小鼠ESC
为了暂停小鼠 ESC,用终浓度为 200 nM 的 INK128 处理细胞,并将细胞培养六天。根据需要补充介质。
Mouse blastocysts 小鼠囊胚
对于胚胎收集,F1 (C57Bl/6xCBA) 雌性超排以获得受精卵母细胞。超数排卵的雌性小鼠被设置为与八周龄或更大的 (C57Bl/6xCBA) F1 雄性小鼠交配。 E0.5胚胎从肿胀的壶腹中收集到FHM培养基(Millipore,MR-024-D)中,用透明质酸酶(Sigma-Aldrich,H4272)处理以去除卵丘细胞,并将胚胎在覆盖的预平衡的KSOM培养基滴中培养在 37.5°C、5% CO 2中使用矿物油(Origio;ART-4008-5P)。
In vivo diapause
体内滞育
如前所述,CD1 小鼠自然交配后通过卵巢切除诱导体内滞育。 15 35 65此后,雌性每隔一天皮下注射3 mg 17-醋酸甲羟孕酮。在 EDG7.5(相当于妊娠日)滞育四天后,将滞育的囊胚从子宫中的 M2 培养基中冲洗掉。
Blastoid generation 母细胞生成
将初始 hPSC 在 37°C、5% O 2和 5% CO 2的培养箱中在潮湿条件下培养。将初始 hPSC 在 PXGL 培养基中的有丝分裂失活 MEF 上培养。每天更换培养基,并在胚泡形成前 4 天传代细胞。母细胞的形成与之前发布的一样,稍作修改。 36 94 95简而言之,为了延长植入前培养,将初始 hPSC 接种到含有 Y-27632 的 N2B27 中的 300 或 400 微米水凝胶微孔中。第二天换成PALLY培养基,每天更换一半新鲜PALLY培养基。 4 天后,用 N2B27 培养基中的 100、200 和 300 nM RapaLink-1 以及 100 和 1000 ng/ml 放线菌酮处理胚泡。此后介质保持不变。 N2B27 基础培养基含有 DMEM/F12(50%,自制)、neurobasal 培养基(50%,自制)、1X N-2 补充剂(Thermo Fisher Scientific,17502048)、1X B-27 补充剂(Thermo Fisher Scientific) , 17504044), 1X GultaMAX 补充剂 (Thermo Fisher Scientific, 35050-038), 1X 非必需氨基酸, 1 mM 丙酮酸钠 (Sigma), 2-巯基乙醇 (100 μM, Thermo Fisher Scientific, 31350010) 和 HEPES (10 mM ,在房子里)。使用 Thermo Fisher Scientific EVOS 细胞成像系统获取相差图像。每天对每个孔的微孔中的胚泡数量进行手动计数。由于一些胚泡继续生长并从微孔中弹出,因此仅对微孔中可见的胚泡进行定量。
Blastoid reactivation after mTORi treatment in postimplantation culture conditions
在植入后培养条件下 mTORi 处理后胚泡重新激活
对照和 mTORi 处理的胚细胞通过在先前针对人类胚细胞描述的扩展培养条件下培养而被重新激活。使用口移液管选择36个胚泡,用CMRL1066培养基洗涤,并转移至涂有含有预平衡培养基的Matrigel的96孔板的孔中。最初,培养基由 CMRL-1066 96组成,补充有 10% (v/v) FBS、1 mM L-谷氨酰胺 (Gibco)、1× N2 补充剂、1× B27 补充剂、1 mM 丙酮酸钠 (Sigma)、1 μM 黄体酮和 10 nM 雌激素。接下来的三天每天更换一半培养基,新培养基中补充有 5% 基质胶。培养 2 或 4 天后用 4% PFA 固定培养物进行染色,或在 4 天后解离用于 scRNA-seq。
Derivation of stem cell lines from blastoids
从胚泡中衍生干细胞系
使用先前描述的用于衍生和培养幼稚人类多能干 (PS) 细胞、 53原始内胚层/胚外中胚层 (PrE/ExEM) 样细胞97和滋养层干细胞 (TSC) 98的方案,并进行了较小的修改。简而言之,将单个人胚泡转移到 MEF 上并在 PXGL 培养基(用于初始 PS 细胞)、NCL 培养基(用于 PrE/ExEM)和人 TSC 培养基(用于 TSC)中培养。两到七天内,生长物就变得可见。使用 TrypLE Express 解离产物并传代到新制备的 MEF 平板或 Geltrex 包被的平板上。将各个菌落解离并在各自的培养基中培养。
Attachment to endometrial cells
附着于子宫内膜细胞
OFEL 欧菲尔
对于涉及源自类器官的子宫内膜上皮细胞的测定,如前所述制备开放面子宫内膜层(OFEL)。 94对照或 mTORi 处理的胚芽用 CMRL 培养基洗涤两次,然后转移到 OFEL 上,在补充有 10 μM Y- 的 CMRL 培养基中于 37°C、20% O 2 、5% CO 2中维持 48 小时。 27632,如前所述。此后,通过用口移液管轻轻冲洗胚泡周围来评估附着,并根据附着的胚泡数量相对于转移总数确定附着效率。
Ishikawa cell line 石川细胞系
对于涉及 Ishikawa 细胞系(接受性子宫内膜细胞系,99040201-1VL)的测定,细胞在补充有 10% FBS 的 DMEM/F-12 培养基中培养。测定前两天,将细胞以每孔 7x10 4 个细胞的密度接种到 96 孔板的 DMEM/F-12 培养基中,培养基补充有 10% FBS、1 μM 孕酮和 10 nM 雌激素。然后将对照或 mTORi 处理的胚芽转移到 CMRL 培养基中完全汇合的细胞层的细胞表面上,如前所述。随后将板放入培养箱中 24 小时,然后按照 OFEL 描述的程序评估附着情况。
Immunofluorescence (IF) 免疫荧光 (IF)
Cells 细胞
将细胞培养在玻璃盖玻片上,并在室温下在 4% PFA 中固定 10 分钟,在 PBS 中洗涤一次,然后用 0.2% Triton X-100 的 PBS 溶液在冰上透化 5 分钟。在 PBS-T(含 0.2% Tween-20 的 PBS)中洗涤一次后,用封闭缓冲液(PBS-T、2% BSA 和 5% 山羊血清(Jackson Nutrition/Dianova, 017-000-121)封闭细胞 1 次)然后用针对 pS6 (CST Cat no: 4858) 1:200、pAKT (CST, 4060T) 1:200、KI67 (BD Pharmingen, 556003) 1:400、H3 磷酸化 S10 (Abcam) 的一抗对细胞进行染色。 , ab5176), 1:1000, OCT4 (Santa Cruz, sc5279) 1:50, NANOG (Abcam, ab109250) 1:200, gH2A.X (Biolegend, 613405) 1:400 在 4°C 下洗涤过夜。用洗涤缓冲液(PBS-T,2% BSA)洗涤三次,每次 10 分钟。将与 Alexa Fluor 缀合的抗兔(Thermo Fisher Scientific,A10042)或抗小鼠(Thermo Fisher Scientific,21202)二抗添加到细胞中。在封闭缓冲液中按 1:700 稀释并在室温下孵育 1 小时,然后用洗涤缓冲液洗涤 3 次,持续 10 分钟,然后用带有 DAPI 的 Vectashield(Vector labs,H-2000)封片并用指甲油密封。使用采用 Airy 扫描模式的 Zeiss LSM880 Airy 显微镜进行成像,并使用 Zen black 和 Zen blue 软件(版本 2.3)进行图像处理。使用 CellProfiler(版本 4.2.1)进行图像量化。 92细胞核或细胞被表示为主要对象,根据细胞核或细胞区域测量感兴趣蛋白质的强度。使用 GraphPad Prism(版本 9)绘制数据。
Embryos 胚胎
人类胚胎在 4% 多聚甲醛的 PBS 溶液中于 4°C 固定 1 小时,小鼠胚胎于室温固定 10 分钟。胚胎在 PBS 中洗涤一次,然后用含有 0.5% Triton X-100 的 1× PBS 透化,然后在封闭液(含有 0.1% Triton X-100 的 1× PBS 中的 10% FBS)中室温封闭 1-2 小时在旋转摇床上。然后将胚胎与在封闭溶液中稀释的一抗在旋转摇床上于 4°C 下孵育过夜。第二天,在旋转摇床上用含 0.1% Triton X-100 的 1× PBS 在室温下将胚胎洗涤一次,然后在旋转摇床上与用封闭液稀释的二抗在室温下在黑暗中孵育 1 小时。胚胎在含有 0.1% Triton X-100 的 1× PBS 中洗涤,并用 DAPI 复染。使用以下抗体和稀释度:抗 pS6 (Cell Signaling, 4858) 1:250、抗 OCT4 (Santa Cruz, 5279) 1:50、抗 NANOG (R&D AF1997) 1:200、抗 CDX2 (BioGenex) 、MU392-UC) 1:100、抗 pAKT (CST 4060T) 1:100、抗 4EBP1 (CST 2855) 1:100 和抗 GATA3 (R&D AF2605) 1:200。所有二抗均为 Alexa Fluor (Life Technologies),在驴中饲养,使用比例为 1:200 至 1:1000。为了成像,胚胎被放置在 PBS 中的 μ-Slide 18 孔平皿(Ibidi,81826)上,并在 Leica Sp8 共焦和 Leica HCX PL APO 63x / 1.3 GLYC CORR CS 物镜上成像。 z 堆栈步长为 3.5-5 毫米。使用采用艾里扫描模式的蔡司LSM880艾里显微镜对小鼠胚胎进行成像。
Blastoids and postimplantation culture
胚泡和植入后培养
使用口移液器收集胚泡并转移至 U 形底 96 孔板(Merck,BR701330)。结构沉降后,用 PBS 洗涤介质两次,并用 4% PFA 在室温下固定 30 分钟,然后用 PBS 洗涤 3 次,每次 10 分钟。植入后培养胚泡在室温下用 4% PFA 固定 30 分钟,然后用 PBS 洗涤 3 次,每次 10 分钟。使用含有2%BSA和0.3%Triton X-100的PBS在室温下封闭/透化3小时。将一抗在封闭/透化溶液中于 4°C 下孵育,轻轻摇动,并用含有 0.1% Triton X-100 的 PBS 洗涤至少 3 次,每次 10 分钟。使用以下抗体和稀释液:
OCT3/4 (C-10)(圣克鲁斯生物技术,sc-5279)1:200,GATA3(圣克鲁斯生物技术,sc-9009)1:200,GATA4(Invitrogen,14-9980-82)1:400,SOX2 (Invitrogen,14-9811-82)1:400,hCG beta(Abcam,ab9582)1:100,hAP-2ɣ(TFAP2c,R&D Systems,AF5059)1:300,磷酸-S6(Ser235/236)(细胞信号传导) , 4858) 1:250, SOX17, (R&D Systems, AF1924-SP) 1:100, TROMA-1 (KRT-8) (DSHB) 1:1000, NR2F2 (Abcam, ab211776) 1:100, CDX2 (BioGenex, MU392A-5UC)1:300。
二抗在含有0.1% Triton X-100的PBS中稀释,然后在室温下避光孵育1小时。随后,用含有0.1%Triton X-100的PBS洗涤胚泡3次,每次10分钟,并准备成像。为了成像目的,将胚泡放置在玻璃底板中。使用配备横河W1旋转盘的Olympus IX83显微镜(软件:CellSense 2.3;相机:Hamamatsu Orca Flash 4.0)捕获胚泡的共焦免疫荧光图像。对采集的共焦图像进行分析,并使用 FIJI 1.53k 或 Bitplane IMARIS 9.7.0 软件生成显示图像。使用 Bitplane IMARIS 软件进行细胞计数,其中为体素设置细胞大小和荧光强度参数,并利用 IMARIS 点功能获得每个图像的总体细胞计数数据。
Apoptosis assay 细胞凋亡检测
收集贴壁和漂浮细胞用于细胞凋亡测定。使用 TrypLE 解离细胞,在冷 PBS 中洗涤,并重悬于膜联蛋白结合缓冲液(10 mM HEPES、140 mM NaCl 和 2.5 mM CaCl2,pH 7.4)中。在 500 ml 膜联蛋白结合缓冲液中将细胞密度调整为 400,000 个细胞。根据制造商的说明(Thermo Fisher Scientific,R37174)进行膜联蛋白 V 染色,并使用 SYTOX AADvanced(Thermo Fisher Scientific,S10274)在室温下进行死细胞染色 15 分钟。使用 FACS AriaFusion 流式细胞仪分析细胞染色。使用 FlowJo(版本 10)对数据进行分析,并使用 GraphPad Prism(版本 9)进行绘图。
Cell cycle assay 细胞周期测定
使用 Click-iT EdU Alexa Fluor 488 流式细胞术测定试剂盒(Thermo Fisher Scientific,C10425)。将细胞与 10 μM EdU 在 5% O 2 、5% CO 2中于 37°C 孵育 2 小时。然后收获细胞,用3ml 1%BSA的PBS溶液洗涤一次,300g离心5分钟并除去上清液。将细胞在 100 ml Click-iT 固定剂中室温固定 15 分钟,用 3 ml 1% BSA 的 PBS 溶液洗涤,然后重悬于 100 ml 1x Click-iT 基于皂苷的透化和洗涤试剂中,并在 30 ℃下孵育 15 分钟。室温。向其中添加500ml Click-iT反应混合物并在黑暗中在室温下孵育30分钟。温育后,洗涤细胞,重悬于200ul皂苷洗涤缓冲液中。添加 Fx-Cycle violet(Thermo Fisher Scientific,F10347)至 1 mg/ml 以测量 DNA 含量,并在室温下避光孵育 1 小时。 FACS AriaFusion 细胞仪用于使用 BD 软件 v8.0.1 采集数据。使用 FlowJo(版本 10)对数据进行分析,并使用 GraphPad Prism(版本 9)进行绘图。
Global proteomics 全球蛋白质组学
Low-input proteomics of stem cells
干细胞的低输入蛋白质组学
每个样品 5000 个细胞在变性缓冲液中裂解、还原和烷基化,然后依次用 Lys-C 和胰蛋白酶消化。根据制造商的方案,将源自约 1000 个细胞的肽加载到 Evotips Pure(Evosep,Odense,丹麦)上。通过纳流反相液相色谱(Evosep One,Evosep)进行肽分离,使用 Endurance 柱(15 cm x 150 μm ID,配有 Reprosil-Pur C18 1.9 μm 微珠 EV1106,Evosep),采用每天 30 个样品的方法( 30SPD)。 LC 系统在线耦合到 timsTOF SCP 质谱仪(Bruker Daltonics,不来梅,德国),应用数据独立采集(DIA)和并行累积串行碎片(PASEF)方法。使用 DiaNN (v1.8) 处理99 个MS 数据,并在计算机预测的小鼠或人类光谱中进行搜索。 88
Proteomics analysis of blastoids
胚泡的蛋白质组学分析
在每个实验条件下收集、洗涤、沉淀和冷冻对照、mTORi处理和CHX处理的胚泡。使用 LC-MS/MS 制备和分析样品。简而言之,使用 iST 样品制备试剂盒 (PreOmics) 按照制造商的说明消化细胞沉淀。使用 Pierce BCA 蛋白质测定试剂盒测定蛋白质浓度,并用等量的蛋白质 (50 μg) 消化每个样品。使用 UltiMate 3000 nano HPLC RSLC 系统与 timsTOF HT 质谱仪联用,对肽样品进行 LC-MS/MS 分析。将肽注射到含有 0.1% TFA 的 2% ACN/水的预柱 (PepMap C18) 上,然后在 25 cm Aurora ULTIMATE 系列 HPLC 柱上分离。采用数据独立采集并行累积-串行碎片(DIA-PASEF)模式进行测量。对于蛋白质组学数据分析,使用 Spectronaut 18.5 (Biognosys) 100 。该搜索是针对智人 UniProt 数据库进行的。定量遵循 Biognosys BGS 出厂默认设置,并使用 IDPicker 进行蛋白质推断。使用内部软件 MS2Go 将 Spectronaut 结果导出并转换为 Microsoft Excel 文件。
Classical bulk proteomics of stem cells
干细胞的经典本体蛋白质组学
蛋白质组学样品制备是根据已发布的方案进行的,并进行了少量修改。 101简而言之,在变性条件下,在 500 μl 含有 3 M 氯化胍 (Gdm-Cl)、10 mM 三(2-羧乙基)膦、 40 mM 氯乙酰胺和 100 mM Tris-HCl pH 8.5。将裂解物在热摇床上以 1000 rpm 的速度摇动 95°C 变性 10 分钟,并在水浴中超声处理 10 分钟。使用含有 10% 乙腈和 25 mM Tris-HCl(pH 8.0)的稀释缓冲液稀释 100 μl 裂解液,以达到 1 M GdmCl 浓度。然后,用 LysC(Roche,巴塞尔,瑞士;酶与蛋白质比例 1:50,MS 级)消化蛋白质,在 37°C 下以 700 rpm 振荡 2 小时。将消化混合物再次用相同的稀释缓冲液稀释至 0.5 M GdmCl,然后进行胰蛋白酶消化(Roche,酶与蛋白质比例 1:50,MSgrade)并在热摇床中以 700 rpm 的速度在 37°C 下孵育过夜。根据制造商的说明(Pierce C18 Tips,Thermo Fisher Scientific)进行肽脱盐。将脱盐的肽在 0.1% 甲酸水溶液中重构,并通过强阳离子交换色谱(SCX、3M Purification、Meriden、CT)进一步分离成四个级分。首先将洗脱液在 SpeedVac 中干燥,然后溶解在 5% 乙腈和 2% 甲酸水溶液中,短暂涡旋,并在水浴中超声处理 30 秒,然后注入 Nano-LC-MS/MS。
如先前报道,LC-MS/MS 通过纳流反相液相色谱(Dionex Ultimate 3000,Thermo Fisher Scientific)在线耦合到 Q-Exactive HF Orbitrap 质谱仪(Thermo Fisher Scientific)进行。 102简而言之,使用内部填充 3 μm C18 树脂(Reprosil-AQ Pur, Maisch 博士,德国阿默布赫)。
原始 MS 数据使用 MaxQuant 软件 (v1.6.10.43) 进行处理,并根据 2019 年 8 月发布的小鼠蛋白质组数据库 UniProtKB 进行搜索,该数据库包含 55,153 个条目。MaxQuant 处理后的输出文件可在表 S1中找到,显示肽和蛋白质鉴定,登录号、蛋白质序列覆盖率百分比、q 值和无标记定量 (LFQ) 强度。
Differential expression analysis
差异表达分析
R 中使用蛋白质组数据差异富集分析 (DEP) 软件包 v1.16.0 进行蛋白质组数据准备和统计分析。 83对于人类 iPSC,无标记定量 (LFQ) 值已被过滤。仅保留在至少一种条件的两次重复中定量的蛋白质。过滤后保留的蛋白质数量:PXGL 中为 4470,RSeT 中为 4615,引物条件下为 5872。对于小鼠 ESC,仅保留在至少一种条件下 3 次重复中至少 2 次定量的蛋白质。过滤后共保留4,783个蛋白质。人类和小鼠蛋白质组数据均通过方差稳定变换进行背景校正和标准化。使用从以最小值为中心的高斯分布中随机抽取来估算缺失值。 p.adj < 0.05 且 |log 2 FC| 的蛋白质> 1 被认为是差异表达。人胚泡的差异蛋白表达分析结果见表S3 ,人PSC和小鼠ESC的表达分析结果见表S4 。
Scatter plots 散点图
Gene Ontology analysis 基因本体分析
clusterProfiler 85 R 软件包应用于差异表达蛋白 (DEP),p.adj < 0.05 且 |log 2 FC| >1。 86使用 Benjamini-Hochberg 校正来校正多重比较,并使用 0.05 的 pvalueCutoff 和 0.1 的 qvalueCutoff。使用 cnetplot 和 dotplot 显示丰富的生物过程。使用 ggplot2 显示选定的生物过程。表 S5提供了富集生物过程的完整概述。
K-means clustering K-均值聚类
DEP 的均值中心表达数据用于 R 中的 k 均值聚类,其中包含“stats”包(版本 4.1.0)。根据数据的目视检查,选择 4 个簇作为最佳簇。 PXGL 天数在 mTORi 的第 10 天和释放的第 12 天收集。
Global proteomics: human-mouse comparison
全球蛋白质组学:人鼠比较
人类 (PXGL) 和小鼠数据中总共表达了 2861 个蛋白质。使用 ggscatter 绘制 mTORi 相对于所有重叠蛋白的对照的 log 2 FC,并计算 Spearman's Rho 相关系数。
成对通路表达分析中包括至少包含 10 个基因符号的 KEGG 103 条通路。小鼠和人类数据之间共有 146 条通路。通路表达值定义为 mTORi 和对照小鼠 ESC 与人初始 iPSC 之间,或人 PSC 不同培养条件之间蛋白质的平均 log 2 FC。表S6中提供了人和小鼠的途径log2FC。使用 ggscatter 绘制人类和小鼠数据的每个路径的平均 log2FC,并计算 Spearman 的 Rho 相关系数。
GSEA Analysis GSEA分析
基因集富集分析 (GSEA) 87用于识别两种生物状态之间的差异,即休眠与正常状态以及 CHX 与正常状态在特定预定义基因集的富集方面的差异。 LFQ 值用于计算(标准化)富集分数。术语“蛋白质组:滞育”是根据先前发表的体内滞育胚胎中显着上调的所有基因(n=179)来定义的。 49术语“蛋白质集:RapaLink”定义为通过比较 mTORi 处理与正常人胚泡的蛋白质组谱而鉴定的所有显着上调的基因(n = 233 个基因)。
Blastoid dissociation for flow-cytometry and single-cell analysis
用于流式细胞术和单细胞分析的母细胞分离
使用口移液管手动收集对照或 mTORi 处理的胚泡并分入 1.5 ml Eppendorf 管中。然后将管在室温下以400×g离心4分钟,并吸出上清液。将 500 μl 解离混合物(TrypLE Select Enzyme (10X) 和 Accutase® Cell Detachment Solution,比例为 1:9)添加到试管中。然后将管在 37°C 下孵育 5 分钟,然后通过移液进行机械解离,并再孵育 10 分钟。接下来,将1ml FACS缓冲液添加到管中,然后在室温下以400g离心4分钟。小心地除去上清液,随后将细胞沉淀洗涤两次。然后将细胞重悬于FACS缓冲液中并通过滤网过滤。对于 scRNA-seq,根据制造商的说明,使用 EasySep™ 死细胞去除 (Annexin V) 试剂盒(Stem Cell Technologies, 17899)进行活细胞富集。植入后样品遵循类似的制备过程,尽管有两个 15 分钟的解离期。
Flow cytometry 流式细胞仪
如前所述,收集结构,然后解离成单细胞。随后将这些单细胞制备用于免疫荧光染色,并在 1.5 ml Eppendorf 管中进行洗涤步骤。使用未染色的对照在 BD FACS Aria III 流式细胞仪上进行流式细胞术分析,并使用 FlowJo 软件进行数据解释。使用以下抗体和稀释度:TROP-2 Alexa Fluor 488 缀合(R&D,FAB650G)1:200,PDGF 受体 α Alexa Fluor 647 缀合(细胞信号传导,5876)1:100,CD197 (CCR7) PE 缀合(电子生物科学,12-1979-42)1:100。
Single-cell RNA-seq library preparation and sequencing of blastoids
单细胞 RNA-seq 文库制备和母细胞测序
如前所述,这些结构解离成单个细胞。使用 EasySep™ Dead Cell Removal (Annexin V) Kit 去除试剂盒(干细胞技术)富集活细胞。使用核计数器NC-250 (ChemoMetec)进行细胞计数。使用 VBCF-NGS(维也纳)的 10X Genomics chromium X,将所需数量的细胞用于在乳液中生成凝胶珠 (GEM)。对于 96 个 HR 样本,使用芯片 L (PN-1000321) 上的 Chromium Next GEM Single Cell 3ʹ LT Kit v3.1 (PN-1000325) 靶向 1000 个细胞;对于植入后样本,使用 Chromium Next GEM Single Cell 靶向 10000 个细胞根据制造商的方案(分别为 CG000399 和 CG000315(10X Genomics,Pleasanton,CA)),在芯片 G (PN-1000127) 上使用 3' GEM、Library & Gel Bead Kit v3.1 (PN-1000128)。 cDNA扩增11个循环。使用 Ampure XP 珠纯化方案纯化文库,并使用片段分析仪和 qPCR 分析分布和数量。将文库汇集在一起,并在 NovaSeq 仪器系列流通池(Illumina,圣地亚哥,加利福尼亚州)上使用双端读取模式进行 300 个循环的测序。
Single-cell RNA-seq data analysis and projection on the human embryo reference map
单细胞RNA-seq数据分析及在人类胚胎参考图上的投影
scRNA-seq 读取使用预构建的 10X GRCh38 参考 (refdata-gex-GRCh38-2020-A) 和默认设置,通过 Cell Ranger count v7.2.0 进行处理。在 R v4.3.2 和 Seurat v5.0.1 中进行了进一步分析。使用Cell Ranger过滤的特征条形码矩阵,去除scDblFinder v1.16.0检测到的双峰,仅保留符合质量阈值的细胞;所有植入前样本:超过 3000 个检测到的基因以及少于 7.5% 的线粒体和少于 50% 的核糖体 RNA 读数,所有植入后样本:超过 2000 个检测到的基因以及少于 15% 的线粒体和少于 50% 的核糖体 RNA读。计数数据进行对数归一化和缩放(回归 G2M 和 S 期特征分数之间的差异)。对前 2000 个变化最大的基因进行降维,并使用典型相关分析 (CCA) 对数据集进行缩放和对齐,然后使用统一流形逼近和投影 (UMAP) 将前 15 个基因投影到二维空间CCA 尺寸。使用 FindTransferAnchors 和 MapQuery 函数,使用集成的人类胚胎参考图和基于 Seurat 参考的映射来映射和预测每个样本的细胞类型身份。
集成参考图包括 E-MTAB-3929、25 GSE109555、77 GSE171820、78 PRJEB30442、47 GSE136447、79 GSE36552、26和 E-MTAB-9388。 80 个原始 scRNA-seq 数据按照之前的描述进行重新处理, 36 个数据然后使用来自https://petropoulos-lanner-labs.clintec.ki.se/app/ShinyEmbryoProjP的细胞注释进行过滤和注释, 44,除了 GSE109555,我们使用了 1,000 个随机二次采样的高质量单细胞和提供的注释。排除分类为受精卵、2-4 细胞、8 细胞、模糊、HEP、成红细胞、未知和 PGC 的细胞。
保留在任何数据集中至少五个细胞中检测到的基因。使用 scran 包 v1.30.2 中的computeSumFactors 执行对数归一化,并使用batcelor v1.18.1 中的multiBatchNorm 执行每批次缩放归一化。使用 fastMNN 方法通过 SeuratWrappers v0.3.5 使用对数归一化批量调整表达值对数据集进行对齐。然后,UMAP 使用 MNN 低维坐标进行聚类和可视化。使用网站信息将细胞投影到在线人类胚胎参考图谱上,而不使用邻域计算。
Quantification and statistical analysis
量化和统计分析
酌情使用方差分析、Kolmogorov-Smirnov 检验、t 检验或 Sperman 相关性。手动评估数据以确定它们是否符合统计方法的假设。统计分析、样本大小、中心定义、分散度和精度测量已在图例中进行了描述。样本尚未随机化。数据并未被排除。
Supplemental information 补充信息
Table S1. Label-free global proteomics of control, mTORi-treated, and mTORi-treated-released human PSCs (2 biological replicates/condition) cultured in PXGL and RSeT and blastoids (3 biological replicates/condition), related to Figures 3, 5, and 7.
Table S2. GSEA and PCA of human blastoid and mouse blastocyst proteomics data, related to Figure 3.
Table S3. DEP output for control, CHX-treated, and mTORi-treated human blastoids (3 biological replicates/condition), related to Figure 3.
Table S4. DEP output for control, mTORi-treated, and mTORi-treated-released PSCs (2 biological replicates/condition), related to Figure 5.
Table S5. List of Gene Ontology terms associated with DE proteins in PSCs, related to Figure 5.
Table S6. List of KEGG pathway expression values (mean log2FC) for human and mouse proteomics comparing mTORi-treated vs. control cells or embryos/blastoids and lists of common and species-specific pathways, related to Figure 5.
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这些作者的贡献同等
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