哺乳动物早期胚胎发育过程中转录水平发生巨大变化，经过合子基因激活和母源RNA降解阶段。本项目通过单细胞RNA测序及权重基因共表达网络分析（WGCNA）结果显示，合子到桑椹胚的每一个发育阶段为有序的功能基因模块有序的共表达调控，显示细胞周期、基因调控、翻译和代谢途径的一个顺序转录变化。对人类和小鼠进行物种间比对，大部分人发育阶段特异性模块（7/9）和小鼠存在显著保守性。哺乳动物早期发育是由进化上高度保守的基因程序性表达和物种特异性基因调控网络共同精密调控的。我们的研究结果为解析哺乳动物早期胚胎程序性发育的基因调控机制提供了宝贵资源。下阶段的合作研究计划，将应用单细胞的基因组技术，分析哺乳动物早期发育过程中的表观遗传变化规律，为胚胎植入前遗传学诊断（PGD）提供了坚实基础，有利于生殖医学的发展。

Mammalian preimplantation development is a complex process involving dramatic changes in the transcriptional architecture. Through quantitative single-cell RNA-sequencing analysis, we have found that human preimplantation development undergoes well-defined stages of gene activation and RNA degradation. By weighted gene co-expression network analysis (WGCNA), we find each developmental stage can be concisely delineated by a small number of functional modules of co-expressed genes that outline a sequential order of transcriptional changes in pathways of cell cycle, gene regulation, translation, and metabolism in a step-wise fashion from cleavage to morula. Cross-species comparison between human and mouse reveals that the majority of human stage-specific modules (7 out of 9) are remarkably preserved in mice. Collectively, we demonstrate that mammalian preimplantation development is orchestrated by both evolutionarily conserved genetic programs and species-specific regulatory networks. Our results provide a valuable resource to dissect gene regulatory mechanism underlying progressive development of mammalian early embryos. In the nextphase of collaborative research, we plan to pursue single cell analysis of epigenetic changes during mammalian preimplantation development. Our future study will provide a solid foundation to apply single-cell genomic technology for preimplantation genetic diagnosis (PGD) in reproductive medicine.

哺乳动物细胞的X染色体剂量补偿包括以下几个方面：1. 通过随机失活雌性细胞其中一条X染色体来实现和雄性X染色体上基因的表达平衡；2. 增强X染色体基因的表达来是想X染色体基因和常染色体基因的表达剂量平衡。人类胚胎发育过程中的X染色体剂量补偿机制及模式尚不清楚。我们通过将6天龄的体外胚胎与子宫内膜细胞在体外进行共培养至14天，成功模拟了离体胚胎的发育过程。收集了6天、8天、11天和14天体外培养胚胎的单细胞并分别进行RNA-seq，通过分析X染色体相关的mRNA SNP特征及以转录组分析为基础的谱系特征，我们发现在6天龄的胚胎中部分TE细胞表现出但等位基因表达的X染色体失活现象。然而，雌性细胞的TE、PE和EPI细胞在经过11-14天培养时表现出很高比例的X染色体失活，说明X染色体失活在体外培养胚胎时发生在胚胎的所有细胞谱系当中。通过比较X染色体上的相关基因和常染色体基因的表达剂量，我们发现从合子基因组激活开始，雌性细胞即表现出X染色体和常染色体（X:A）的基因表达平衡，而雄性胚胎直到6天龄依然表现为X:A表达失衡。因此，我的研究证据表明X染色体失活和X染色体联锁基因表达增强同时发生在雌性和雄性6-14天体外培养胚胎中，X染色体剂量补偿是人类胚胎发育进程中的一个近着床期事件。