2020年12月16日，中國醫學科學院基礎醫學研究所宋偉團隊和余佳團隊合作在基因組學領域專業期刊Genome Research發表了題為“Panoramic transcriptome analysis and functional screening of long noncoding RNAs in mouse spermatogenesis”的研究論文。本研究系統性描繪了長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA, lncRNA）在小鼠精子發生過程中的動態轉錄組圖譜，聯合快速高效的在體精子發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。
精子發生（Spermatogenesis）是睪丸組織內精密調控的細胞分化過程，主要包括有絲分裂、減數分裂和精子形成等過程。在哺乳動物的各類器官發育中，精子發生呈現出最為豐富的轉錄多樣性，特別是lncRNA尤其顯著。據研究報道，lncRNA能夠以組織特異表達的形式在器官發育或細胞分化過程中發揮關鍵的調控功能。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現了大量特異表達的lncRNA，然其在精子發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在精子發生中的動態轉錄組圖譜，并鑒定出8418個注釋lncRNA以及523個全新未注釋lncRNA。深入分析發現lncRNA與其鄰近的第一個蛋白編碼基因相關性最強，根據兩者的基因組位置關系分別定義為“順式關聯”和“反式關聯”；將“順式關聯”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，對精子發生中動態變化的lncRNA進行了功能預測。為了進一步在體內水平篩選精子發生中的功能性lncRNA，本研究結合腺相關病毒運載系統和睪丸網顯微注射技術構建了小鼠在體精子發生及功能評價模型，經篩選發現3個在精子發生中發揮重要生理功能的lncRNA（Gm4665, 1700027A15Rik, 1700052I22Rik）。最后，聯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。研究發現lncRNA Gm4665主要富集在功能性生精基因（包括Ip6k1, Akap3及Hook1等）的啟動子區域或染色質開放區域，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，本研究系統性描繪了小鼠精子發生過程中lncRNA的動態表達圖譜，并開發了哺乳動物睪丸組織內篩選功能性lncRNA的在體生精功能研究模型，從“系統發現”、“功能篩選”到“機制解析”多個層面闡釋了lncRNA對精子發生的重要性，為lncRNA在雄性生殖發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學科學院醫學與健康科技創新工程（2017-I2M-3-009, 2016-I2M-1-001, 2017-I2M-1-015）等項目的資助。中國醫學科學院基礎醫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
中國醫學科學院基礎醫學研究所
