精原干細(xì)胞是維持哺乳動物生殖細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和持續(xù)精子發(fā)生的基礎(chǔ)。此類細(xì)胞數(shù)量稀少，必須通過自我更新保持自身數(shù)目相對恒定，同時通過定向分化提供大量細(xì)胞參與生精過程。有研究揭示了精原干細(xì)胞核心微環(huán)境因子和一批關(guān)鍵的內(nèi)源因子，但我們對精原干細(xì)胞活性的來源和其代謝狀態(tài)與命運(yùn)決定的關(guān)系缺乏了解。隨著單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們能夠從單細(xì)胞水平探究不同細(xì)胞類型轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳狀態(tài)，描述細(xì)胞發(fā)育軌跡并篩選在細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮關(guān)鍵作用的因子。

中國科學(xué)院西北高原生物研究所動物繁育與功能基因組團(tuán)隊利用在未分化精原細(xì)胞特異表達(dá)熒光蛋白的小鼠模型（Lin28-yfp敲入小鼠），通過開展流式細(xì)胞分選和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組及開放染色質(zhì)檢測，描述了未分化精原細(xì)胞染色質(zhì)開放狀態(tài)聚類圖譜，鑒定出一批在細(xì)胞發(fā)育過程中motif開放狀態(tài)和其自身表達(dá)水平成正相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，并通過正向轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子篩選，發(fā)現(xiàn)多個可能在未分化精原細(xì)胞發(fā)育中起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子【包括參與調(diào)控代謝和細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)錄因子E4F1（E4F transcription factor 1）】。為探究E4F1在精原干細(xì)胞命運(yùn)決定中的功能，該團(tuán)隊制備了E4f1生殖細(xì)胞特異敲除小鼠模型。表型分析結(jié)果顯示該敲除小鼠無生育力。原因在于精原細(xì)胞雖然能正常形成但是自我更新和分化過程異常，且2月齡后曲精小管內(nèi)只剩支持細(xì)胞。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，E4F1敲除導(dǎo)致精原細(xì)胞周期阻斷于G1/S期，凋亡顯著增加，線粒體結(jié)構(gòu)被部分損壞，如線粒體膜電位和線粒體活性氧降低，線粒體長度增大。靶向代謝組分析發(fā)現(xiàn)，不同于表皮干細(xì)胞和造血干細(xì)胞，精原干細(xì)胞中E4F1的敲除雖然引起Dlat表達(dá)量降低，但是沒有引起丙酮酸含量顯著降低，且下游三羧酸循環(huán)相關(guān)代謝物沒有異常。E4F1缺失導(dǎo)致精原細(xì)胞脂肪酸代謝異常，表明該轉(zhuǎn)錄因子在生殖細(xì)胞中有其獨特的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序和Chip-qPCR結(jié)果顯示，E4F1可能直接調(diào)控線粒體功能基因Cox7a2、Ndufs5、Dnajc19、Cox6c以及脂肪酸代謝關(guān)鍵基因的表達(dá)。為研究凋亡在E4F1敲除生殖細(xì)胞中的作用，該研究制備了E4F1;P53雙敲除小鼠模型。研究通過表型分析發(fā)現(xiàn)，35日齡雙敲除小鼠睪丸中生殖細(xì)胞的數(shù)量多于E4F1單敲除小鼠，但與單敲除小鼠一樣，2月齡雙敲除小鼠的生殖細(xì)胞全部丟失，表明E4F1敲除導(dǎo)致的生殖細(xì)胞丟失不完全依賴于P53蛋白。以上研究表明E4F1調(diào)控線粒體功能和代謝維持精原干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。

本研究不僅為鑒定精原干細(xì)胞命運(yùn)決定的調(diào)控因子提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且進(jìn)一步完善了我們對干細(xì)胞代謝和發(fā)育調(diào)控的認(rèn)識。

9月25日，相關(guān)研究成果以Transcription factor E4F1 dictates spermatogonial stem cell fate decisions by regulating mitochondrial functions and cell cycle progression為題，在線發(fā)表在《細(xì)胞與生物科學(xué)》（Cell & Bioscience）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和青海省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

未分化精原細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子鑒定及E4F1在精原干細(xì)胞維持中的功能。A：未分化精原細(xì)胞聚類TSNE圖；B： 細(xì)胞簇特異peaks聚類熱圖；C：基因表達(dá)分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)錄因子motif結(jié)合預(yù)測的正向調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子；D：2月齡對照和E4f1 cKO小鼠的睪丸；E：對照組和E4f1 cKO小鼠睪丸切片未分化精原細(xì)胞和支持細(xì)胞免疫熒光染色；F：對照和E4f1 cKO小鼠生殖細(xì)胞的透射電子顯微鏡圖像；G：對照和E4f1 cKO小鼠生精小管的As、Apr和Aal精原細(xì)胞比例；H：基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的細(xì)胞分型及比例。

來源： 西北高原生物研究所