2020年12月16日，中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所宋偉團隊和余佳團隊合作在基因組學領域專業(yè)期刊Genome Research發(fā)表了題為“Panoramic transcriptome analysis and functional screening of long noncoding RNAs in mouse spermatogenesis”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)生過程中的動態(tài)轉錄組圖譜，聯(lián)合快速高效的在體精子發(fā)生及功能評價模型篩選出具有潛在調控功能的lncRNA，并在單細胞尺度詳細解析了lncRNA Gm4665在精子形成時期的重要生理功能。
精子發(fā)生（Spermatogenesis）是睪丸組織內(nèi)精密調控的細胞分化過程，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)出最為豐富的轉錄多樣性，特別是lncRNA尤其顯著。據(jù)研究報道，lncRNA能夠以組織特異表達的形式在器官發(fā)育或細胞分化過程中發(fā)揮關鍵的調控功能。迄今為止，在人類和其它哺乳動物的睪丸基因組中雖然已鑒定發(fā)現(xiàn)了大量特異表達的lncRNA，然其在精子發(fā)生中的生理功能尚未得到詳細闡明。
本研究從小鼠睪丸中分離6種類型的生精細胞，通過RNA-seq描繪lncRNA在精子發(fā)生中的動態(tài)轉錄組圖譜，并鑒定出8418個注釋lncRNA以及523個全新未注釋lncRNA。深入分析發(fā)現(xiàn)lncRNA與其鄰近的第一個蛋白編碼基因相關性最強，根據(jù)兩者的基因組位置關系分別定義為“順式關聯(lián)”和“反式關聯(lián)”；將“順式關聯(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分析，對精子發(fā)生中動態(tài)變化的lncRNA進行了功能預測。為了進一步在體內(nèi)水平篩選精子發(fā)生中的功能性lncRNA，本研究結合腺相關病毒運載系統(tǒng)和睪丸網(wǎng)顯微注射技術構建了小鼠在體精子發(fā)生及功能評價模型，經(jīng)篩選發(fā)現(xiàn)3個在精子發(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、單細胞轉錄組測序（Single-cell RNA-seq）以及ChIRP-seq在單細胞尺度闡明lncRNA Gm4665在精子形成時期的重要生理功能。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）的啟動子區(qū)域或染色質開放區(qū)域，敲降該lncRNA后能夠在轉錄水平抑制功能性生精基因的表達，從而導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的動態(tài)表達圖譜，并開發(fā)了哺乳動物睪丸組織內(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“機制解析”多個層面闡釋了lncRNA對精子發(fā)生的重要性，為lncRNA在雄性生殖發(fā)育領域的進一步研究提供了資源和范式。
本研究工作得到中國醫(yī)學科學院醫(yī)學與健康科技創(chuàng)新工程（2017-I2M-3-009, 2016-I2M-1-001, 2017-I2M-1-015）等項目的資助。中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所宋偉研究員、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
中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所
