ACE2和TMPRSS2在围着床期胚胎和母胎界面存在表达

来源：中国工程院院刊

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。

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.

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