命运的“第一刀”：受精瞬间，生命的对称性就已破碎？

引言：长久以来，我们似乎达成了一种默契的共识：哺乳动物的早期胚胎是高度“可调控”的（Regulative）。这意味着，在受精卵分裂成两个细胞、四个细胞，甚至直到八细胞、十六细胞阶段，每一个细胞（我们称之为卵裂球，Blastomere）都是平等的。它们看起来一模一样，正如我们在显微镜下看到的那样，圆润、对称，仿佛还没有被命运分配任何特定的角色。此时的每一个细胞，都被认为具有全能性（Totipotency），即拥有发育成完整个体的潜力。

这种观点认为，细胞命运的分化，谁去构建胎儿，谁去构建胎盘，是后来才发生的，主要依赖于细胞在胚胎中的位置信息（Inside-outside model）或是细胞极性的建立。简而言之，我们曾以为，生命的最初几次分裂，只是简单的数量复制。

然而，12月3日，《Cell》的研究报道“Fertilization triggers early proteomic symmetry breaking in mammalian embryos”，用一组令人惊叹的数据告诉我们：这种“平等”可能只是一种错觉。研究人员揭示了一个惊人的事实：早在受精的那一刻，甚至在第一次细胞分裂之前，命运的对称性就已经被打破了。

来源 | 生物探索

沉默的真相：从转录组到蛋白质组的跨越

在深入这项研究的具体发现之前，我们先来看看为什么这个秘密直到今天才被揭开。

在过去的十年里，单细胞测序技术（Single-cell RNA sequencing）风靡全球。研究人员利用它测定了早期胚胎中成千上万个细胞的基因表达情况（即mRNA水平）。确实，有一些研究在2细胞或4细胞阶段发现了转录水平的异质性，比如长链非编码RNA LincGET 在2细胞阶段的差异，或者 Sox21 在4细胞阶段的差异。

但是，这些RNA水平的差异往往很不稳定，在这个胚胎中存在，在那个胚胎中又消失了，而且它们与细胞的最终命运之间缺乏稳固的因果链条。更重要的是，生物学中心法则告诉我们，mRNA只是图纸，蛋白质才是执行功能的建筑工人。由于技术限制，mRNA的丰度并不总是能完美预测蛋白质的丰度。

正如论文作者所指出的，以往关于小鼠胚胎的蛋白质组学研究，大多依赖于“批量”（Bulk）分析，也就是把几百个胚胎混在一起测。这种做法虽然能告诉我们胚胎整体的蛋白质组成，但却无情地抹平了细胞与细胞之间的个体差异，而魔鬼，恰恰藏在这些细节之中。

这就引出了本研究的第一个核心亮点：多重非标记单细胞蛋白质组学（Multiplexed and label-free single-cell proteomics）。

研究团队采用了一种名为 SCoPE2 的前沿技术。这是一项极具挑战性的工作。试想一下，一个小鼠的卵裂球直径不过几十微米，里面的蛋白质含量微乎其微。要从这微量的样品中鉴定并定量数千种蛋白质，还要保证数据不受细胞培养基中残留蛋白的污染，这本身就是一项工程学上的壮举。

研究人员建立了一套严格的清洗流程：从单个胚胎中分离出姐妹卵裂球（Sister blastomeres），经过7到10次PBS缓冲液清洗，再经过5次纯水清洗，确保彻底去除杂质。为了解决样品量太少的问题，他们巧妙地引入了载体蛋白（Carrier proteome），利用小鼠胚胎干细胞（mESCs）的裂解物作为载体，来增强质谱检测的灵敏度，同时又不干扰定量分析。正是这把“金钥匙”，打开了通往微观世界真实图景的大门。

2细胞阶段的“双城记”：Alpha 与 Beta 的诞生

当研究人员利用这套技术，对36个小鼠2细胞胚胎（包括15个早期2细胞和21个晚期2细胞胚胎）的72个卵裂球进行全蛋白质组分析时，一张清晰的图谱展现在眼前。

通过非监督聚类分析（Unsupervised clustering），他们惊讶地发现，这些本该一模一样的姐妹细胞，并没有混乱地混杂在一起，而是清晰地分成了两个阵营。研究人员将这两个阵营命名为 Alpha (α) 状态 和 Beta (β) 状态。

这一发现的核心证据在于数据的一致性：在所有被分析的36个胚胎中，每一个胚胎都包含一个 Alpha 细胞和一个 Beta 细胞。没有发现全是 Alpha 或全是 Beta 的胚胎。这绝不是随机的噪声，而是一种高度保守的生物学现象。

那么，究竟是什么让 Alpha 和 Beta 如此不同？通过严格的统计学筛选（FDR < 1%），研究人员锁定了 349种 在这两个阵营间表现出显著差异的蛋白质。这些蛋白质并非无关紧要的过客，它们涵盖了大约1043种被定量蛋白质中的很大一部分。

Alpha 细胞

富含核糖体蛋白（Ribosomal proteins）和翻译起始因子。这意味着 Alpha 细胞似乎更专注于制造蛋白质的机器本身，表现出一种高代谢、高合成的特征。

Beta 细胞则呈现出完全不同的分子景观。它们富含参与 蛋白质降解（Protein degradation） 和 物质运输（Transport） 的分子，例如泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-proteasome system）的组件、离子通道、信号分子以及囊泡运输相关蛋白。

这一差异在热图（Heatmap）上表现得尤为剧烈。随着胚胎从早期2细胞发育到晚期2细胞，这种不对称性不仅没有消失，反而愈演愈烈。数据的欧几里得距离分析显示，姐妹细胞在蛋白质组上的差异随着时间推移逐渐拉大。

这给了我们一个重要的启示：这种不对称性不是一个静态的标签，而是一个动态放大的过程。Beta 细胞似乎正如火如荼地进行着一场“大扫除”，通过活跃的蛋白酶体系统，降解那些母源遗留的旧蛋白，为胚胎基因组的激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）腾出空间。

追根溯源：受精卵中的“幽灵线索”

既然2细胞阶段的姐妹俩已经分道扬镳，那么这种差异究竟始于何时？是在第一次分裂的那一刹那产生的吗？还是说，这种不对称性早就埋藏在受精卵（Zygote）之中？

为了回答这个问题，研究人员设计了一个极其精妙的实验——受精卵切割实验（Zygote bisection）。

他们并没有等待受精卵自然分裂，而是人为地介入。通过显微操作，他们沿着受精卵的动物极-植物极轴（Animal-vegetal axis），将受精卵手动“切”成了两半。这听起来简单，实则需要极高的技巧，因为受精卵是球体，如何确保切割面近似于未来的分裂面是一个巨大的挑战。

随后，他们对这两半受精卵分别进行了蛋白质组学分析。

结果令人拍案叫绝：即便是还没有分裂的受精卵，其被人为切开的两半，在蛋白质组上也展现出了截然不同的特征。经过聚类分析，这两半分别落入了之前定义的 Alpha 和 Beta 阵营！

更令人信服的是，他们对比了受精卵两半之间的蛋白差异倍数（Fold change）与2细胞阶段 Alpha/Beta 姐妹间的蛋白差异倍数。两者表现出了极强的正相关性（Spearman r = 0.45, p < 1e-8）。这意味着，2细胞阶段观察到的分子不对称，实际上是受精卵内部某种预存梯度的直接继承。

就像一块预先印染了不同颜色的布料，无论你何时剪开，两边的花色早已注定。

精子的入场券：打破对称的第一推动力

现在，压力给到了“起源”这边。如果受精卵内部就已经不对称了，那这种不对称又是从何而来？

一种可能性是卵母细胞（Oocyte）本身就是不对称的，这是纯粹的母源继承。另一种可能性是，受精（Fertilization）这个过程本身触发了对称性的破缺。

为了区分这两种可能，研究人员做了一个非常聪明的对照实验：孤雌激活（Parthenogenetic activation）。

他们利用氯化锶（SrCl₂）刺激未受精的卵母细胞，使其误以为已经受精，从而开始发育。这些孤雌胚胎没有精子的参与，完全依靠母亲的遗传物质发育。如果不对称性仅仅来源于卵子本身，那么孤雌胚胎的2细胞应该也表现出 Alpha/Beta 的分化。

然而，蛋白质组学数据给出了否定的答案。孤雌发育的2细胞胚胎中，姐妹卵裂球之间没有表现出明显的蛋白质组聚类模式，也没有观察到类似 Alpha/Beta 的一致性不对称。 它们看起来混杂无章，缺乏那种清晰的命运二分法。

这一结果如同一记重锤，砸碎了“纯母源决定论”。它强烈暗示：精子，是打破对称性的关键变量。

为了证实这一点，研究人员不仅需要逻辑推演，还需要物理证据。他们盯上了 精子进入点（Sperm Entry Point, SEP）。

在体外受精（IVF）实验中，当精子穿过透明带与卵膜融合时，会形成一个名为“受精锥”（Fertilization cone）的结构。研究人员在这个稍纵即逝的时间窗口，用微米级的荧光微珠（Fluorescent microbead）标记了受精锥的位置。随后，他们将受精卵培养至2细胞阶段，分离出两个卵裂球，通过微珠的位置判断哪一个细胞继承了精子进入点的物质，哪一个没有。

结合蛋白质组学分析，结果显示：继承了精子进入点的那个受精卵半球（以及随后的卵裂球），总是倾向于归类为 Beta 状态；而对侧的则倾向于 Alpha 状态。 这种相关性在统计学上极为显著。

至此，一个完整的因果链条浮出水面：

1. 精子进入卵子，打破了卵子原本的某种平衡。

2. 精子进入点周围及其对侧形成了某种分子梯度（可能是细胞骨架重排或细胞质流动导致的）。

3. 受精卵分裂时，这种梯度被分配到两个子细胞中。

4. 继承了精子进入点相关物质的细胞，启动了更强的蛋白质降解和运输程序，成为了 Beta 细胞。

这是一个从物理事件转化为生化信号，再固化为细胞命运的精彩过程。

命运的殊途：Beta 的优越性

我们已经知道 Alpha 和 Beta 在分子水平上不同，但这真的重要吗？如果它们最后都能长成小鼠，这种差异可能只是生物学上的“噪音”。

为了验证其功能后果，研究人员进行了严苛的“单卵裂球发育实验”。

他们将2细胞胚胎的姐妹细胞拆散，分别单独培养。在小鼠中，单个2细胞期的卵裂球理论上具有发育成完整胚胎的能力。通过追踪这两个姐妹细胞各自形成的囊胚（Blastocyst），研究人员发现了一个显著的偏差：

• Beta 细胞的后代：更倾向于发育成拥有更多内细胞团（ICM）细胞的囊胚，特别是上胚层（Epiblast, EPI）细胞。上胚层是未来发育成胎儿主体的核心细胞群。

• Alpha 细胞的后代：虽然也能形成囊胚，但其上胚层细胞的数量显著较少，甚至很多时候无法达到维持发育所需的最低阈值（通常认为需要至少4个上胚层细胞）。

量化数据显示，Beta 细胞产生高质量囊胚（EPI细胞多）的概率显著高于 Alpha 细胞。这表明，Beta 细胞具有更高的发育潜能（Developmental potential）。

这一发现与之前的观察不谋而合。在4细胞阶段，那些位于植物极（Vegetal pole）的细胞通常被认为发育潜能较低，倾向于分化为滋养层（TE）。本研究的数据也证实，4细胞阶段的植物极细胞在蛋白质组上更接近 Alpha 状态。

这似乎在告诉我们：Beta 状态代表了一条通往“构建生命本体”的优先通道，而 Alpha 状态则可能更多地承担辅助或支持性的角色。

分子操纵：逆天改命的尝试

仅仅有关联性描述是不够的，必须有功能性验证。研究人员决定直接操纵定义 Alpha/Beta 身份的关键分子，看看能否改变细胞的命运。

他们挑选了三个具有代表性的蛋白质：

1. Nedd8：一种类泛素蛋白，在 Beta 细胞中高表达。

2. Gps1（又名 Cops1）：COP9 信号体复合物的亚基，参与蛋白质去类泛素化，同样在 Beta 细胞中高表达。

3. PSMC4：26S 蛋白酶体的亚基，在 Alpha 细胞中高表达。

研究人员利用双链 RNA（dsRNA）显微注射技术，在2细胞阶段的一个卵裂球中特异性地敲低（Knockdown）这些基因，并用荧光蛋白追踪其后代。结果令人信服：

敲低 Nedd8（原本属于 Beta 的特征）：导致该细胞后代对上胚层的贡献比例下降，反而更多地分化为了滋养层（TE）。这说明 Nedd8 的作用可能是在早期限制细胞过早分化为滋养层，从而保护其多能性。

敲低 Gps1（原本属于 Beta 的特征）：显著降低了该细胞后代对上胚层的贡献，这与其在多能性维持中的已知作用一致。

敲低 PSMC4（原本属于 Alpha 的特征）：导致细胞整体数量减少，所有谱系的贡献都下降，这反映了其在基本细胞稳态中的作用。

这些实验有力地证明了，蛋白质组学鉴定的差异蛋白不仅仅是“标记物”，它们就是驱动细胞命运分化的“方向盘”。特别是 Beta 细胞中富集的那些参与蛋白质修饰和降解的分子，它们可能通过精确调控关键转录因子的稳定性，确保了细胞能够顺利通过母源-合子转换，并维持在高质量的多能性状态。

越过物种的鸿沟：人类胚胎中的回响

基础研究的最终归宿往往是人类自身的健康。小鼠的发现虽然精彩，但在人类身上是否适用？

由于人类胚胎样品的极其稀缺和伦理限制，这部分的实验难度极大。但研究团队还是克服了重重困难，收集了人类早期2细胞胚胎，并使用了两种互补的质谱技术（DDA 和 DIA）进行验证。

结果显示，人类2细胞胚胎的姐妹卵裂球同样表现出了明显的双向聚类，也可以分为 Alpha 和 Beta 两个群体。

通过对比小鼠和人类的蛋白质组数据，研究人员发现了高度的保守性。在跨物种共有的877个蛋白质中，两者的 Alpha/Beta 差异模式表现出显著的相关性。特别是那些涉及蛋白质降解和运输的生物学通路（GO Terms），在人和小鼠的 Beta 细胞中都呈现出高富集状态。例如，VDAC2（一种线粒体外膜蛋白通道）和多种泛素相关蛋白，在人和小鼠的 Beta 细胞中都显著高表达。

这表明，这种由受精触发的早期对称性破缺，并非啮齿类动物的专利，而是哺乳动物演化过程中保留下来的一种古老而核心的发育机制。这一发现对于辅助生殖技术（IVF）具有潜在的巨大临床价值——如果我们能通过非侵入性的方法识别出 Beta 类的细胞或胚胎，或许就能显著提高试管婴儿的成功率。

重塑我们对“全能性”的理解

至此，我们不禁要重新审视那个经典的生物学概念——全能性（Totipotency）。

教科书告诉我们，2细胞、4细胞甚至8细胞期的每一个卵裂球都是全能的。但这篇研究告诉我们，全能性可能并不是一个非黑即白的开关，而是一个连续的谱系（Spectrum）或是一种概率事件。

虽然 Alpha 和 Beta 细胞在隔离培养时都有可能发育成囊胚，但它们的“起跑线”是不一样的。Beta 细胞就像是一个装备精良的登山者，背囊里装满了处理废旧蛋白的工具（泛素-蛋白酶体系统）和高效运输物资的载具，因此它更有可能登顶（形成完整的胎儿）。而 Alpha 细胞虽然也有机会，但它背负着沉重的旧包袱（未降解的母源蛋白），且缺乏必要的导航设备，因此在发育的征途中更容易掉队或被迫转向（分化为滋养层）。

这项研究最引人深思的地方在于，它将哺乳动物发育的“决定论”时刻大大提前了。

以前我们认为，哺乳动物胚胎是高度“民主”的，大家商量着来，谁在什么位置谁就干什么活。现在看来，虽然这种“民主”的调节机制依然存在（毕竟 Alpha 细胞也不是完全不能发育），但在受精的那一刻，精子进入的位置就已经投下了一张“加权票”。这种物理上的不对称，通过细胞骨架的传导，转化为化学物质（蛋白质）的不均匀分布，最终在基因组大规模激活之前，就已经为细胞的命运埋下了伏笔。

为什么是蛋白质降解？

最后，特别提一下 Beta 细胞中高表达的“蛋白质降解”通路。在发育生物学中，有时候“破坏”比“建设”更重要。早期胚胎面临的一个巨大挑战是：如何清除卵子时期积累的海量母源蛋白，以便让胚胎自己的基因组开始接管指挥权。

Beta 细胞之所以拥有更高的发育潜能，很可能就是因为它继承了更强的“清洁能力”。它能更快地清洗掉旧时代的痕迹，从而更敏锐地响应新时代的信号。Nedd8 和 Gps1 的高表达，正是这种清洁能力的分子体现。这也提示我们，生命的焕新，往往始于对陈旧的彻底告别。

1891年，汉斯·德里施（Hans Driesch）将海胆胚胎在2细胞期分开，发现每一个细胞都能发育成完整的幼虫，从而奠定了“调控型发育”的理论基石。

134年后的今天，Iwamoto-Stohl 等人用最先进的蛋白质组学技术，在看似完美的对称中找到了裂痕。这并不否定德里施的发现，而是展示了生命的韧性与精密的双重属性：它既有预先设定的偏好（Symmetry breaking），又保留了应对变故的弹性。

受精，不仅仅是两个基因组的融合，更是一场精密编排的分子舞蹈的开场。在这个舞台上，精子的一吻，不仅唤醒了沉睡的卵子，更在这一吻的瞬间，画下了生命蓝图的第一笔线条。

参考文献

[1] Iwamoto-Stohl LK, Petelski AA, Quan B, Meglicki M, Fu A, Nakagawa S, McMahon B, Wang TY, Khan S, Specht H, Huffman G, Derks J, Junyent S, Weatherbee BAT, Weberling A, Gantner CW, Mandelbaum RS, Paulson RJ, Lam L, Chou TF, Slavov N, Zernicka-Goetz M. Fertilization triggers early proteomic symmetry breaking in mammalian embryos. Cell. 2025 Dec 3:S0092-8674(25)01255-3. doi: 10.1016/j.cell.2025.11.006. Epub ahead of print. PMID: 41344326.

本文经授权转载自微信公众号“生命探索”。

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