猪子宫内膜预接受期和接受期的单细胞转录组分析

《Reproductive Biology》：Single-cell transcriptomic analysis of endometrium pre-receptivity and receptivity stages in porcine

作者：金亚丹|张方迪|何海伟|王凯轩|马瑞雪|王飞|袁德龙|张国亮

中国山东省青岛市青岛农业大学动物科学技术学院，邮编266109

摘要

子宫内膜的接受性是影响胚胎着床和发育的关键因素，因此具有重要的研究价值。在本研究中，我们构建了猪子宫内膜在着床前期和着床期的单细胞转录组图谱，并鉴定了子宫内膜组织中的主要细胞类型。值得注意的是，在着床前期和着床期，上皮细胞亚群的组成存在显著差异。我们研究了着床前期和着床期子宫内膜上皮细胞和基质细胞的功能特征，以及与子宫内膜接受性和胚胎着床相关的基因在不同细胞类型中的动态表达水平。细胞间通讯分析显示，腔上皮细胞在着床期表现出高度活跃性。相比之下，腺上皮细胞和纤毛上皮细胞在着床期表现出更高的活跃性。此外，与子宫内膜接受性相关的BMP、VEGF和TGF-β信号通路在着床前期和着床期表现出不同的特征。本研究阐明了猪子宫内膜细胞在着床期的转录特征，揭示了其独特的分子调控机制。这些发现为理解生殖障碍中的子宫内膜微环境异常提供了重要的理论基础和新的见解。

引言

在养猪业中，窝产仔数是衡量母猪繁殖效率的关键指标，它通过影响分娩率和繁殖周转率直接影响农场的经济效益[1]。胚胎着床是决定窝产仔数的最早生理瓶颈，此阶段的失败占胚胎丢失总数的45%[2][3]。实际上，妊娠第10-30天是一个关键时期，在此期间胚胎着床、基质蜕变、母体-胚胎相互作用发生，胚胎死亡率约为30%[4][5]。这主要是由于子宫内膜接受性不足：在怀孕早期，子宫内膜经历由激素调控的多层重塑，包括上皮结构的动态变化、基质细胞的可塑性、细胞外基质的组成以及局部免疫调节，所有这些共同作用以建立一个暂时性的、高度协调的微环境，有利于胚胎粘附、侵入和随后的胎盘形成[6]。因此，减少着床期的胚胎死亡是提高窝产仔数和促进养猪业经济效益的关键目标。

子宫内膜由多种细胞类型组成，包括上皮细胞、基质细胞和免疫细胞[7][8]。在着床前期，来自囊胚的分化滋养层细胞首先粘附在子宫内膜上皮细胞上，然后进一步侵入子宫内膜基质和血管系统[9][10]。成功的胚胎着床依赖于子宫内膜环境的稳定性，该环境受到雌激素和孕酮等类固醇激素的精细调节[11][12]。在雌激素和孕酮的协同作用下，基质细胞发生蜕变，从而为胚胎发育提供必要的营养支持和物理保护屏障[10]。然而，与大多数哺乳动物不同，猪的胎盘是上皮绒毛膜型的且非侵入性的，胎儿组织不会侵入母体子宫内膜[13]。因此，母猪的子宫内膜基质细胞不会发生典型的蜕变。只有在胚胎粘附部位的局部基质细胞会出现轻微肥大和细胞质糖原积累，而在胚胎粘附稳定后，非粘附区域的基质细胞可以迅速恢复到正常形态[14][15][16]。同时，子宫内膜中的免疫细胞可以通过动态调节其表型和细胞因子分泌谱来建立一个免疫耐受的微环境。这种微环境为滋养层细胞穿透子宫内膜屏障并完成粘附和侵入过程提供了关键支持，从而确保胚胎成功着床和后续的正常发育[17]。

章节摘录

动物和样本收集

本研究使用具有相同遗传背景且繁殖性能正常的多胎约克夏母猪（24个月大）作为实验动物。共有6头母猪在标准化双重人工授精（AI）后成功受孕并被纳入研究。AI的时间安排基于发情期的开始：第一次授精在母猪站立发情开始后的8-12小时内进行，第二次授精在8-12小时后进行，以确保最佳同步性

为了解决猪子宫内膜在不同接受状态下的细胞异质性，我们对着床前期和着床期收集的子宫内膜组织进行了scRNA-seq分析（图1A）。经过质量筛选后，保留了9984个来自着床前期组的高质量细胞和14,853个来自着床期组的高质量细胞用于后续分析（图1C）。通过UMAP降维引导的无监督聚类，结合严格的标记基因验证，识别出五个主要细胞群

讨论

上皮细胞是成功胚胎着床的关键细胞界面，在着床窗口期间协调囊胚与母体子宫内膜之间的关键相互作用。在怀孕早期，胚胎粘附和侵入依赖于腔上皮和腺上皮、基质细胞以及免疫细胞群体之间的紧密协调[35]。我们的综合分析确定上皮细胞和基质细胞是子宫内膜的主要细胞类型

结论

总之，我们生成了猪子宫内膜在着床前期和着床期的单细胞转录谱。我们分析了着床前期和着床期组织中细胞群体的组成，并观察到了腔上皮细胞、腺上皮细胞和纤毛上皮细胞分布的差异。进一步分析显示这三种上皮细胞类型之间存在密切的相互关系，在纤毛上皮细胞中检测到了异常的细胞间通讯

张国亮：撰写——审稿和编辑、项目管理、资金获取、概念构思。金亚丹：撰写——初稿撰写、数据可视化、验证、数据分析。张方迪何海伟王凯轩：数据管理、实验研究。马瑞雪：数据可视化、验证。王飞：概念构思、数据管理。袁德龙：概念构思、数据管理、正式数据分析。

资助

本研究得到了以下机构的资助：国家自然科学基金（31902158）、山东省现代农业技术产业体系（SDAIT-08-16）、山东省自然科学基金（ZR2025MS511）、青岛市自然科学基金（24-4-4-zrjj-144-jch）以及青岛农业大学高级人才研究基金（665/1119013）。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。