2020年12月16日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所宋偉團(tuán)隊(duì)和余佳團(tuán)隊(duì)合作在基因組學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Genome Research發(fā)表了題為“Panoramictranscriptome analysis and functional screening of long noncoding RNAs in mousespermatogenesis”的研究論文。本研究系統(tǒng)性描繪了長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA, lncRNA）在小鼠精子發(fā)生過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組圖譜，聯(lián)合快速高效的在體精子發(fā)生及功能評價(jià)模型篩選出具有潛在調(diào)控功能的lncRNA，并在單細(xì)胞尺度詳細(xì)解析了lncRNA Gm4665在精子形成時(shí)期的重要生理功能。
精子發(fā)生（Spermatogenesis）是睪丸組織內(nèi)精密調(diào)控的細(xì)胞分化過程，主要包括有絲分裂、減數(shù)分裂和精子形成等過程。在哺乳動(dòng)物的各類器官發(fā)育中，精子發(fā)生呈現(xiàn)出最為豐富的轉(zhuǎn)錄多樣性，特別是lncRNA尤其顯著。據(jù)研究報(bào)道，lncRNA能夠以組織特異表達(dá)的形式在器官發(fā)育或細(xì)胞分化過程中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)控功能。迄今為止，在人類和其它哺乳動(dòng)物的睪丸基因組中雖然已鑒定發(fā)現(xiàn)了大量特異表達(dá)的lncRNA，然其在精子發(fā)生中的生理功能尚未得到詳細(xì)闡明。
本研究從小鼠睪丸中分離6種類型的生精細(xì)胞，通過RNA-seq描繪lncRNA在精子發(fā)生中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組圖譜，并鑒定出8418個(gè)注釋lncRNA以及523個(gè)全新未注釋lncRNA。深入分析發(fā)現(xiàn)lncRNA與其鄰近的第一個(gè)蛋白編碼基因相關(guān)性最強(qiáng)，根據(jù)兩者的基因組位置關(guān)系分別定義為“順式關(guān)聯(lián)”和“反式關(guān)聯(lián)”；將“順式關(guān)聯(lián)”的lncRNA又分為6種不同的生物類型。通過與重要蛋白編碼基因的基因座共定位或共表達(dá)分析，對精子發(fā)生中動(dòng)態(tài)變化的lncRNA進(jìn)行了功能預(yù)測。為了進(jìn)一步在體內(nèi)水平篩選精子發(fā)生中的功能性lncRNA，本研究結(jié)合腺相關(guān)病毒運(yùn)載系統(tǒng)和睪丸網(wǎng)顯微注射技術(shù)構(gòu)建了小鼠在體精子發(fā)生及功能評價(jià)模型，經(jīng)篩選發(fā)現(xiàn)3個(gè)在精子發(fā)生中發(fā)揮重要生理功能的lncRNA（Gm4665, 1700027A15Rik, 1700052I22Rik）。最后，聯(lián)合在體生精功能研究模型、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（Single-cell RNA-seq）以及ChIRP-seq在單細(xì)胞尺度闡明lncRNA Gm4665在精子形成時(shí)期的重要生理功能。研究發(fā)現(xiàn)lncRNA Gm4665主要富集在功能性生精基因（包括Ip6k1, Akap3及Hook1等）的啟動(dòng)子區(qū)域或染色質(zhì)開放區(qū)域，敲降該lncRNA后能夠在轉(zhuǎn)錄水平抑制功能性生精基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致圓形精子向長形精子分化異常。
研究路線示意圖
綜上，本研究系統(tǒng)性描繪了小鼠精子發(fā)生過程中l(wèi)ncRNA的動(dòng)態(tài)表達(dá)圖譜，并開發(fā)了哺乳動(dòng)物睪丸組織內(nèi)篩選功能性lncRNA的在體生精功能研究模型，從“系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)”、“功能篩選”到“機(jī)制解析”多個(gè)層面闡釋了lncRNA對精子發(fā)生的重要性，為lncRNA在雄性生殖發(fā)育領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了資源和范式。
本研究工作得到中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2017-I2M-3-009, 2016-I2M-1-001, 2017-I2M-1-015）等項(xiàng)目的資助。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所宋偉研究員、余佳研究員和馬艷妮副研究員為該論文共同通訊作者，李凱助理研究員、徐嘉悅博士后和羅艷云博士為該論文的共同第一作者。
文章鏈接：https://genome.cshlp.org/content/early/2020/12/16/gr.264333.120.full.pdf+html
文圖|基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所
