前沿研究丨SARS-CoV-2 侵入因子: ACE2和TMPRSS2在围着床期胚胎和母胎界面存在表达

本文选自中国工程院院刊《Engineering》网络首发文章

作者：陈伟, 袁鹏, 杨铭, 严智强, 孔思明, 严杰, 柳溪溪, 陈依东, 乔杰, 闫丽盈

来源：SARS-CoV-2 Entry Factors: ACE2 and TMPRSS2 Are Expressed in Peri-Implantation Embryos and the Maternal–Fetal Interface. Engineering. 2020. 

https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.013

导语

COVID-19大流行对全球公共卫生安全构成巨大挑战，考虑到严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）感染相关的妊娠并发症以及其对子宫内胎儿发育的潜在不良影响，罹患COVID-19的孕妇患者受到特别关注。SARS-CoV-2能否感染胚胎或胎盘，干扰妊娠的建立或维持，以及宫内垂直传播是否存在均亟待解答。

近日，北京大学乔杰院士课题组对人植入前后胚胎、妊娠早期胎盘的单细胞转录组数据进行了系统分析，描述了围着床期胚胎和母胎界面上血管紧张素转化酶2 （ACE2）和跨膜丝氨酸蛋白酶2 （TMPRSS2）的转录表达情况，阐释了妊娠早期SARS-CoV-2存在母胎间宫内垂直传播的可能性以及相关分子基础。

研究指出，ACE2和TMPRSS2在围着床期第6天胚胎的滋养外胚层细胞（D6_TE）、妊娠第8周的胎盘绒毛外部的合胞滋养层细胞（STB_8W）以及妊娠第24周的蜕膜中的绒毛外滋养层细胞（EVT_24W）中均存在明显的共表达现象, 表明了这些细胞类群可能易受SARS-CoV-2侵染。与上述三个细胞类群中的阴性细胞相比，相应的ACE2阳性表达细胞亚群均在自噬和免疫相关生物学过程中表现出差异。而且ACE2 的表达水平在围着床期第6天胚胎滋养外胚层细胞（D6_TE）、原始内胚层细胞（D6_PE）以及ACE2阳性表达的STB细胞中均表现出一定的性别差异（p<0.05），提示在妊娠早期SARS-CoV-2的侵袭可能存在性别偏倚。本研究提示了在辅助生殖助孕胚胎移植过程、围着床期以及妊娠早期胚胎面临着潜在的SARS-CoV-2感染风险，在诊疗中应当对正在备孕或处于妊娠早期的患者给予一定的重视。

相关研究成果近期发表于中国工程院院刊《Engineering》。

—研究方法—

本研究下载了已发表的植入前人胚胎、围着床期人胚胎、蜕膜与绒毛细胞的单细胞转录组数据。通过生物信息学分析描绘不同发育阶段以及不同细胞亚群中ACE2和TMPRSS2基因表达图谱，在此基础上对具有不同ACE2表达水平的细胞类群间进行差异表达基因（DEGs）和生物学通路富集分析（GO和KEGG）。

—研究结果—

1. 围着床期胚胎SARS-CoV-2感染的潜在风险

ACE2在围着床期胚胎各谱系细胞中均存在表达（图1），而且和其他谱系以及发育阶段的细胞类群相比，D6_TE细胞中ACE2阳性表达细胞占比，TMPRSS2阳性表达细胞占比和ACE2/TMPRSS2共表达细胞占比均最高，这表明受精后第6天的囊胚对SARS-CoV-2易感性可能相对较高。同时鉴于其他发育阶段的胚胎仍然存在ACE2表达，因此这些阶段胚胎细胞同样存在感染的可能性。

图1 胚胎植入前及围着床期ACE2和TMPRSS2的表达模式

（a）和（b）分别是ACE2 在植入前和围着床期胚胎各个阶段的表达水平；

（c）和（d）分别是TMPRSS2 在植入前和围着床期胚胎各个阶段的表达水平；

（e）和（f）分别是ACE2和TMPRSS2在围着床期胚胎各发育阶段中阳性表达和阴性表达细胞比例；

（g）围着床期胚胎不同发育阶段中具有不同ACE2和TMPRSS2表达模式的细胞比例（Double_pos: ACE2和TMPRSS2均为阳性表达的细胞; Only_ACE2_pos: ACE2阳性表达但不表达TMPRSS2的细胞; Only_TMPRSS2_pos: TMPRSS2阳性表达但不表达ACE2的细胞; Double_neg: TMPRSS2和ACE2均为阴性表达的细胞）；

（h）围着床期D6胚胎中ACE2和TMPRSS2表达的相关性；R表示Spearman相关系数；

（i）D6围着床期胚胎中ACE2和TMPRSS2阳性表达细胞的数目

2. 妊娠早期母胎界面发生SARS-CoV-2感染的潜在风险 

母胎界面上CTB、STB、EVT和dP细胞类群具有较高的ACE2阳性表达细胞的占比，并且STB_8W和EVT_24W中存在较大比例的共表达ACE2和TMPRSS2的亚群（图2）。此前已报道了新冠患者的血液样本中存在一定比例的SARS-CoV-2阳性，而由于妊娠过程中STB被母体血液所浸润，EVTs则存在于蜕膜以及子宫螺旋动脉管壁处，因此血液中以及子宫内存在的病毒很可能会侵入这两类细胞。此外，虽然ACE2阳性表达细胞的占比在EVT_24W中要远高于EVT_8W，但妊娠不同阶段的垂直传播风险是否具有差异仍有待评估。

图2 ACE2和TMPRSS2在早期母胎界面的表达模式。（a）和（b）ACE2在不同蜕膜和绒毛细胞类群中阳性表达的比例；（c）在不同绒毛细胞类群中，ACE2和TMPRSS2表达水平存在差异的各细胞亚群的比例；（d）在不同的蜕膜细胞类群中，ACE2和TMPRSS2表达水平存在差异的各细胞亚群的比例

3. 不同细胞类群中ACE2阳性表达细胞的共同特征

对三类具“SARS-CoV-2的高感染风险”的细胞类群：D6雌胚的TE、EVT_24W和STB_8W的进一步分析显示，三个细胞类群中ACE2阳性表达和ACE2阴性表达细胞之间的差异基因均在自噬，溶酶体和病毒的细胞应答相关的生物学过程在中表现出明显富集（图3），这反映了各滋养外胚层谱系ACE2阳性表达细胞亚群在生物学状态上存在一定程度的相似性。

图3 D6 雌胚的TE细胞、EVT_24W和STB_8W细胞中ACE2阳性表达和阴性表达细胞亚群间的差异基因和富集的生物学过程/通路。（a）细胞类型特异性或细胞间共有的GO富集条目的数量；（b）各组DEGs共有的GO富集条目；（c）各组DEGs共有的KEGG富集通路；（d）在3个细胞类群中共有的表达水平上调的DEG数量

4. 植入前后胚胎和绒毛细胞类群中ACE2表达的性别差异

曾有报道称ACE2作为逃逸基因在表达上会存在性别差异。本研究发现ACE2的表达水平在D6雌胚的TE细胞中要显著高于同一阶段的雄胚，而随后的发育阶段并无显著差异。并且其在ACE2阳性表达STB和CTB亚群中也具有显著的性别差异（p<0.05）（图4）。这一发现暗示了在围着床期胚胎和妊娠期发生SARS-CoV-2垂直传播可能存在性别差异，并且还提示了ACE2可能无法逃逸植入后胚胎发育后期的X染色体失活（XCI），增进了我们对胚胎发育过程中XCI的了解。

图4 不同性别的围着床期胚胎和绒毛细胞类群中ACE2表达水平。（a）各细胞类群中ACE2的表达情况（TPM）；（b）各细胞类群中TMPRSS2的表达情况（TPM）；（c）绒毛细胞ACE2阳性表达细胞亚群中ACE2的表达情况（droplet scRNA-seq数据）；（d）绒毛细胞TMPRSS2阳性表达细胞亚群中TMPRSS2表达情况（droplet scRNA-seq数据）。p值由Wilcoxon秩和法计算 

—结语—

虽然尚无直接证据证明SARS-CoV-2存在宫内垂直传播，但已有研究报道新生儿的SARS-CoV-2 IgM抗体检测阳性，以及个别新冠患者妊娠末期胎盘存在病理性改变。本研究首次在单细胞转录组水平上展示了ACE2在植入前后胚胎和母胎界面细胞类群中的表达模式，指出了ACE2和TMPRSS2表达双阳性的细胞的存在，提示了在围着床期和妊娠期存在SARS-CoV-2垂直传播的潜在风险。本研究为疫情期间生殖中心胚胎移植以及孕妇的临床诊疗确定提供一定的理论依据，建议针对怀孕初期感染SARS-CoV-2的患者，应加强对母婴的健康监测。但垂直传播的直接证据仍需临床病例进一步积累和相关基础研究的确认。

撰稿丨杨 铭，陈 伟，袁 鹏

审核丨乔 杰

编校丨朱 琳

注：本文内容呈现形式略有调整，若需可查看原文。

改编原文：

Wei Chen, Peng Yuan, Ming Yang, Zhiqiang Yan, Siming Kong, Jie Yan, Xixi Liu, Yidong Chen, Jie Qiao, Liying Yan. SARS-CoV-2 Entry Factors: ACE2 and TMPRSS2 Are Expressed in Peri-Implantation Embryos and the Maternal–Fetal Interface [J]. Engineering, 2020. 

https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.01

作者介绍

乔杰，女，生殖医学专家，中国工程院院士、美国艺术与科学院外籍院士。

一直从事妇产科及生殖健康相关的临床与基础研究工作，从遗传学、表观遗传学角度对人类早期胚胎发育机制进行了深入的研究，将基础研究成果成功应用于临床上胚胎植入前遗传学诊断；揭示疑难不孕症发病机制，优化辅助生殖技术方法，提高疑难不孕患者治疗成功率。

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注：论文反映的是研究成果进展，不代表《中国工程科学》杂志社的观点。