张晋平，于 鹏，郑 晟，丁艳平，赵 潇，张 会

(西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070)

MicroRNA 调控胚胎植入研究进展

张晋平，于 鹏，郑 晟，丁艳平，赵 潇，张 会

(西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070)

植入是胚胎与子宫内膜识别、接触并依附于子宫内膜上或进一步侵入、包埋于子宫内膜中的过程，是哺乳动物生殖生理的重要环节，这一过程对于胚胎能够在子宫持续的发育并最终获得成功的妊娠是必需的。成功的植入需要同步发育的正常胚胎、容受性的子宫内膜及母胎的和谐对话来实现。胚胎植入过程复杂而短暂，参与调控的因素有很多，包括microRNA。论文介绍了与植入相关microRNA的最新研究进展，包括microRNA对胚胎发育、子宫内膜的容受性等方面的作用，将为我们理解植入机制提供新的视角。

microRNA；胚胎；子宫内膜容受性；胎盘；植入

现阶段我们对植入的认识还非常有限。microRNA(miRNA,miR)是在真核生物中发现的一类高度保守的、长度约为20个～24个核苷酸的非编码单链小RNA分子，在转录后水平负责调节靶基因的表达，其靶基因数目众多，生物学功能广泛，参与生命过程中一系列的重要进程，包括早期发育，细胞的增殖、分化、凋亡和死亡，脂肪代谢和癌症的产生等。本文对microRNA在植入中的作用进行综述，这将为我们更好的理解植入的机理提供新的视角。为主动干预和调节人类生殖过程提供理论指导，有助于防止人类流产、早产、胎儿发育迟缓等产科疾病的发生。

1 MicroRNA与胚胎

新生儿的诞生是胚胎植入后胚胎与可容受的子宫之间和谐对话的结果，在这一过程中有许多蛋白和生长因子起基础作用[1]，包括microRNA，已预测超过50 000个microRNA可能存在于哺乳动物细胞中[2]并且改变了上千个基因的mRNA和蛋白的合成[3]。MicroRNA与哺乳动物发育密切相关，特别是表观基因组的重编程[4]。研究表明microRNA靶向几百种关键基因，这些基因的表达或抑制决定着胚胎的命运。

胚胎质量问题(包括胚胎染色体的异常与基因的突变)被认为是植入失败的主要原因。而microRNA在早期胚胎发育中的重要性已经在一系列的物种中得到证实，例如隐杆线虫和哺乳动物[5-6]。有证据表明在这些生物体中microRNA介导的基因调控是正常胚胎发生所必需的，microRNA突变的胚胎存活率也随之降低。例如，MiR-370在小鼠胚胎发育过程中通过调控DNA甲基转移酶(Dnmt3a)的表达水平在小鼠发育过程中对不同器官的形成起重要作用，miR-370的水平降低将影响胚胎中脑和肾上腺的形成[7]。进化上高度保守的miR-302家族在哺乳动物早期胚胎发育期表达，缺失miR-302的小鼠晚期胚胎具有致命的表型。敲除miR-302的小鼠胚胎开始具有神经管闭合的缺陷，随后伴随出现增厚的神经上皮，神经上皮显示出细胞增殖数目增加而死亡数目减少，早熟的神经元分化[8]。RT-PCR表明86个microRNA在猪MⅡ期卵母细胞和胚胎中表达，8-细胞胚胎中的microRNA比MⅡ期卵母细胞和囊胚少，21个microRNA在MⅡ期卵母细胞和8-细胞胚胎、以及8-细胞胚胎和囊胚或MⅡ期卵母细胞和囊胚之间差异表达。转录靶向表达不同的microRNA使得与细胞发育和分化相关的基因种类丰富化。同时microRNA水平随猪胚发育的不同阶段而改变，RT-PCR表明只有miR-24的水平随着培养环境的变化而发生改变，在体内较体外胚胎低，其可能成为筛选IVF胚胎质量的候选标记物[9]。

Tan M H等[10]的研究强调microRNA在植入前小鼠胚胎中是多能性的调控因子，并具有重要功能。其研究表明microRNA-290-295簇由Oct4和Nanog直接控制，通过靶向Rbl2 mRNA以调控DNA甲基化并通过Rbl-2调控植入前胚胎中Dnmt3b的转录。由于受精率的降低和早期胚胎的丢失使得奶牛的生育力逐年下降。为了解决受精问题和更好的研究植入前胚胎的发育，体外生产系统被应用于胚胎质量的评估，但仅仅是根据胚胎的形态来评价，这种评价标准本身对于胚胎的发育潜力并不是很强的指针。目前，还没有生物标记物可以作为胚胎能够发育及建立妊娠的潜力的非侵入性指针，因此Kropp J等[11]研究了培养基质中不同发育潜力胚胎内的microRNA，发现11个差异表达的microRNA均在退化胚胎的培养基中具有较高的含量，对miR-24的功能分析表明，向桑椹胚的培养基中添加一个模拟的miR-24将导致发育至囊胚的胚胎数目降低27.3%。MiR-24的靶基因CDKN1b(细胞周期依赖性激酶阻滞基因)在未添加模拟miR-24的胚胎生长培养基中被抑制。这说明退化的胚胎细胞会释放miR-24，而细胞外的miR-24会抑制胚胎的发育，因此，miR-24可能可以被用于评估胚胎的质量。

microRNA在早期发育中的作用，特别是母源mRNA的转录后调节作用仍有争议。数据表明microRNA的水平在受精后降低，在植入前胚胎发育的晚期microRNA的活性降低，同时通过分析在囊胚大量表达的不同前体和成熟的特异性microRNA：例如miR-292-3p和miR-292-5p，发现microRNA与靶mRNA结合可能作为潜在储备的microRNA。一旦需要，这些储备microRNA将直接为胚胎提供成熟且具有功能的microRNA[12]。

2 microRNA与子宫内膜容受性

在植入窗口期，子宫内膜容受性是一个复杂的事件。成功妊娠需要来自胎儿的滋养层细胞(trophoblast)对子宫基质的侵入。滋养层细胞与子宫内膜上皮细胞和基质细胞之间、上皮细胞和基质细胞之间的“对话”精确的调节滋养层细胞的增殖分化和子宫内膜的蜕膜化，从而保证滋养层细胞的适度侵入。

在植入窗口期，子宫内膜发育成具有允许胚胎粘附和侵入其上皮的特点，microRNA在调节子宫内膜容受性中具有一定的作用。在小鼠胚胎植入过程中，microRNA调节子宫内膜基因的表达。Li Z H等[13]发现Ankrd46为miR-451的靶基因，抑制miR-451导致小鼠胚胎植入数目的减少，但对受精没有影响，且miR-451在小鼠胚胎植入期的表达特异性的上调，推测其可能在小鼠胚胎植入中具有重要的作用。抑制miR-126a-3p的功能是使体内植入位点显著降低，推测miR-126a-3p可能是通过调节tga11在小鼠胚胎植入过程中起作用，而tga11可能具有抑制小鼠子宫内膜细胞的迁移和侵入能力[14]。 采用microRNA芯片对接受前期和接受期大鼠子宫中的microRNA表达谱进行全面筛查，发现在接受期，28个microRNA出现上调，29个microRNA出现下调，差异倍数至少在2倍以上，且miR-29a只在植入期大鼠子宫中高水平表达，促凋亡因子基因Bak1和Bmf以及抗凋亡因子基因Bcl-w均为miR-29a的靶基因，且miR-29a和抗凋亡因子基因Mcl1的3′端非编码区结合力较弱[15]。过表达miR-29a会抑制大鼠子宫内膜基质细胞的晚期凋亡，可能是由于miR-29a与促凋亡因子的3′端非编码区的结合能力比其与抗凋亡因子的3′端非编码区结合能力强造成的。即miR-29a通过同时调控促凋亡因子和抗凋亡因子在大鼠胚胎植入中发挥重要作用。MiR-29a可能主要与促凋亡因子结合，从而抑制细胞的凋亡，进而控制大鼠子宫内膜的容受性。MiR-98的水平在妊娠d5-d6低于d3-d4和d7-d8，在延迟植入中miR-98的表达显著降低。MiR-98下调促进了子宫内膜间质细胞的增殖并抑制其凋亡，miR-98水平上调显示出相反的作用。进一步的研究表明miR-98能够与Bcl-xl的3′端非编码区结合而抑制Bcl-xl的翻译。总之，在大鼠子宫接受期，miR-98的下调与靶向Bcl-xl的细胞增殖数量的增加有关[16]。Northern blot结果表明[17]：miR-143在大鼠妊娠早期表达，妊娠d5-d8 miR-143在大鼠子宫表达水平高于妊娠d3-d4。MiR-143主要表达在基质表面初级蜕膜区的腔上皮和腺上皮。MiR-143未被假孕显著影响，但激活延迟植入及诱导蜕膜化显著提高了miR-143的表达水平。MiR-143可能与Lifr的3′UTR区相结合从而抑制Lifr的翻译。因此，子宫的miR-143可能通过调节Lifr参与成功的妊娠，特别是囊胚植入的过程。

3 MicroRNA与胎盘

Hossain M M等[18]的研究表明克隆移植和体外受精的牛异常胎盘中有大量microRNA被下调，很可能是由于这一原因使得牛胚胎滋养层分化期间的重编程失败，最终导致了胚胎丢失。这一研究和其他几个关于牛的研究[19-20]强调了异常microRNA在异常胎盘发生过程中扮演遗传和后生修饰调节者的角色。胰岛素样生长因子2 (IGF2)在胎盘中的表达，在妊娠中的母胎发育中具有重要作用，基因突变导致的IGF2在胎盘过表达会引起小鼠躯体的过度生长和胎盘的异常。当宫内生长受限时胎盘IGF2的水平大幅度下降，敲除Igf2的小鼠往往胎盘很小。研究发现在小鼠滋养层干细胞中miR141-3p和miR-200a-3p过表达将抑制内源的IGF2表达，而miR141-3p和miR-200a-3p通过降低Akt的活性而使基因IGF2沉默[21]。

4 展望

由于胚胎植入过程短暂而复杂，参与调控的因素也很多，因此，胚胎植入的机理尚未明确，人类体外授精和胚胎移植(IVF-ET)的体外授精率虽然可高达90%，但临床植入率和出生率却只有30%左右。除人类IVF-ET外，人体疾病的转基因动物模型和克隆动物的培育都急待提高胚胎的植入率，特别是异种间动物克隆更面临解决胚胎植入的难关，因此，胚胎植入机理的阐明对生命科学研究具有深远而现实的意义。microRNA能否被作为早期植入异常的标记物是最近的研究热点。

植入失败和胎盘发育不足是不孕，流产和其他妊娠相关疾病的主要原因。本文综述了与植入相关的microRNA的一些最新的研究进展，包括microRNA在胚胎发育、子宫内膜的接受性及胎盘发育中的作用，证明了有活力的胚胎发育过程中microRNA介导了基因的表达调控，尽管它们确切的作用还未知，但子宫内膜microRNA很可能通过调节基因表达来参与植入、早期胎盘形成以及妊娠过程，这为我们理解植入的机制提供了理论基础，在这些非侵入性的microRNA成为临床评估胚胎和子宫内膜健康的标记物，以降低植入失败率之前还需要进行大量的试验。

[1] Cha J, Vilella F, Dey S K, et al. Molecular interplay in successful implantation. In: Sanders S, editor. Ten critical topics in reproductive medicine[M]. Science/AAAS, 2013：44-48.

[2] Berezikov E, Guryev V, van de Belt J, et al. Phylogenetic shadowing and computational identification of human microRNA genes[J]. Cell, 2005, 120(1): 21-24.

[3] Selbach M, Schwanhausser B, Thierfelder N, et al. Widespread changes in protein synthesis induced by micro-RNAs[J]. Nature, 2008, 455(7209): 58-63.

[4] Suh N, Baehner L, Moltzahn F, et al. Micro-RNA function is globally suppressed in mouse oocytes and early embryos[J].Curr Biol, 2010, 20(3): 271-277.

[5] Reinhart B J, Slack F J, Basson M, et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing inCaenorhabditiselegans[J]. Nature, 2000, 403(6772): 901-906.

[6] Suh N, Blelloch R. Small RNAs in early mammalian development: from gametes to gastrulation[J]. Development, 2011, 138(9): 1653-1661.

[7] Qi L, Hongjuan H, Ning G, et al. MiR-370 is stage-specifically expressed during mouse embryonic development and regulates Dnmt3a[J]. FEBS Lett, 2013, 587(6): 775-781.

[8] Parchem R J, Moore N, Fish J L, et al. MiR-302 is required for timing of neural differentiation, neural tube closure, and embryonic viability[J]. Cell Rep, 2015, 12(5): 760-773.

[9] Stowe H M, Curry E, Calcatera S M, et al. Cloning and expression of porcine Dicer and the impact of developmental stage and culture conditions on microRNA expression in porcine embryos[J].Gene, 2012, 501(2): 198-205.

[10] Tan M H, Au K F, Leong D E, et al. An Oct4-Sall4-Nanog network controls developmental progression in the preimplantation mouse embryo[J]. Mol Syst Biol, 2013, 9: 632.

[11] Kropp J, Khatib H. Characterization of microRNA in bovineinvitroculture media associated with embryo quality and development[J]. J Dairy Sci, 2015, 98(9): 6552-6563.

[12] García-López J, del Mazo J. Expression dynamics of microRNA biogenesis during preimplantation mouse development[J]. Biochim Biophys Acta，2012, 1819(8): 847-854.

[13] Li Z H, Jia J, Gou J, et al. MicroRNA-451 plays a role in murine embryo implantation through targeting Ankrd46, as implicated by a microarray-based analysis[J]. Fertil Steril, 2015, 103(3): 834-844.

[14] Li Z H, Jia J, Gou J, et al. Mmu-miR-126a-3p plays a role in murine embryo implantation by regulating Itga11[J]. Reprod Bio Med, 2015, 31(3): 384-393.

[15] Xia H F, Jin X H, Cao Z F, et al. MicroRNA expression and regulation in uterus during embryo implantation in rat[J]. FEBS J, 2014, 281(7): 1872-1891.

[16] Xia H F, Jin X H, Cao Z F, et al. MiR-98 is involved in rat embryo implantation by targeting Bcl-xl[J]. FEBS Lett, 2014, 588(4): 574-583.

[17] Tian S, Su X, Qi L, et al. MiR-143 and rat embryo implantation[J]. Biochim Biophys Acta, 2015, 1850(4): 708-721.

[18] Hossain M M, Tesfaye D, Salilew-Wondim D, et al. Massive deregulation of miRNAs from nuclear reprogramming errors during trophoblast differentiation for placentogenesis in cloned pregnancy[J]. BMC Genomics, 2014, 15: 43.doi: 10.1186/1471-2164-15-43.

[19] Salilew-Wondim D, Tesfaye D, Hossain M, et al. Aberrant placenta gene expression pattern in bovine pregnancies established after transfer of cloned orinvitroproduced embryos[J]. Physiol Genomics , 2013, 45(1): 28-46.

[20] Liu F J, Jin L J, Ma X G, et al. Differentially expressed microRNA and affected signaling pathways in placentae of transgenic cloned cattle[J].Theriogenology, 2014, 82(2): 338-346.

[21] Saha S, Choudhury J, Ain R. MicroRNA-141-3p and miR-200a-3p regulate insulin-like growth factor 2 during mouse placental development[J]. Mol Cell Endocrinol，2015, 414:186-193.

Progress on MicroRNA in Regulation of Embryo Implantation

ZHANG Jin-ping， YU Peng，ZHENG Sheng，DING Yan-ping， ZHAO Xiao，ZHANG Hui

(CollegeofLifeScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu,730070,China)

Implantation is a process which animal blastocyst and endometrium recognize, contacts, and attach to the endometrium or further invade and embedd in the endometrium. This process is an important part of the mammalian reproductive physiology and it is essential to continued embryonic development within the uterus for achieving successful pregnancy. Synchronized development of the embryo to the active stage of the blastocyst, differentiation of the uterus to the receptive state, and a harmonious crosstalk between the blastocyst and uterine luminal epithelium are essential to a successful implantation process. Embryo implantation process is complicated and short, there are many factors involved in the implantation regulation, including microRNA. In this article, we introduced the latest research progress on microRNA in the regulation of embryo implantation, including the role of microRNA in embryo development, endometrial receptivity, and so on.It will provide a new perspective on our understanding of implantation mechanism.

microRNA; embryo; endometrial receptivity; placent; implantation

2015-09-25

甘肃省科技计划项目(145RJYA258)；，西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目(NWNU-LKQN-14-23)

张晋平(1981-)，女，山西平遥人，副教授，博士，主要从事医学生物工程研究。

S821.36;Q492.6

A

1007-5038(2016)05-0099-04