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项目文章 | 长读长单细胞测序揭示无梗阻性无精症和唯支持细胞综合症患者细胞亚型特异的剪切体特征
发布时间:2024-03-28 10:25:15  

2024年1月,浙江大学医学院附属邵逸夫医院孙斐教授团队,第一作者吴小龙博士(特聘副研究员),在QJM: An International Journal of Medicine上发表“Long-read single-cell sequencing reveals the transcriptional landscape of spermatogenesis in obstructive azoospermia and sertoli cell-only patients”(IF=14)的研究文章。本研究利用新格元单细胞转录组测序(scRNA-seq)结合长读长LRSC(Pacbio)测序技术,发挥二代测序数据的准确注释分型和三代测序数据对检测全长异构体多样性和新转录本的优势,得到不同生殖细胞和体细胞细胞的长读长转录组多样性数据,包括可变剪切AS的多样性,新基因的结构等。综合揭示梗阻性无精症和唯支持细胞综合症患者精子发生的剪切体特征。

新格元在该研究中提供了SCelLiVe®组织解离液、GEXSCOPE®单细胞转录组测序与数据分析服务。特别包括自研的单细胞二代+三代的数据分析流程,实现了数据的深入挖掘。

下面和元小新一起来看看吧~

 

研究背景

人类精子发生是一个复杂且高度调控的过程,涉及有丝分裂细胞分裂、减数分裂和精子成熟的后续阶段。这一发育过程需要多个基因有序且高度协调表达。以往利用scRNA-seq技术做了睾丸中转录和表观遗传特征的研究。利用bulk RNA-seq对几个关键基因通过AS产生不同的转录本,编码多种蛋白质亚型来研究,从而AS在许多男性不孕不育等生物过程中的作用。long-read单分子DNA长读测序技术可以准确地生成长度为几千个碱基。其可以在人类基因组最具挑战性的区域检测到以前无法探测到结构变异。本研究利用两种技术的优势互补。结合scRNA-seq和LRSC-seq,对梗阻性无精子症(OA)和唯支持细胞(SCO)患者精子发生的转录格局进行了鉴定,利用长读技术直接检测出全长异构体多样性和新的转录本,新基因等重要结构。因此,本研究可能为人类精子发生和男性不育症的治疗提供新的见解。

 

技术路线

图1 实验设计流程和数据概况

 

研究结果

1.校正后PacBio长读长转录组的特征

使用SQANTI将PacBio长读长转录组分为Full Splice Match (FSM)、Incomplete Splice Match (ISM)、Catalog (NIC)、Novel Not in Catalog (NNC)、Intergenic Fusion(IF)和Antisense。FSM、NIC和Fusion在OA患者中具有最高的中位长度,而Intergenic和Antisense的长度则显著减少(图2A)。NOA中大多数FSM 转录本与匹配的参考转录本的5′端完全或接近完全重叠(图2D左)。与OA在3’端相似的转录物表达分布如图(2D右)。

图2 校正后PacBio转录组的特征

2.不同生殖细胞和体细胞细胞的长读长转录组多样性

使用Pacbio三代全长技术检测单细胞水平的长读长转录组多样性。L利用SQANTI分类鉴定了不同细胞类型中长读长转录组的数量。长读长转录组在NOA的免疫细胞、肥大细胞、支持细胞、内皮细胞、间质细胞、肌样细胞、巨噬细胞、和周细胞中的比例与FSM几乎相似(30%)。NOA的巨噬细胞中FSM的比例明显高于OA。在OA和NOA中分别鉴定新转录本分别为100,517和26,002个 (图3C)。此外,在OA和NOA中分别检测到36,373和1642个新基因 (图3D)。这些新基因可能为研究精子发生和男性不育的机制提供新的见解。

图3 PacBio scRNA-seq揭示转录异构体多样性

3.精子发生和NOA中不同的AS事件

AS事件包括外显子跳跃(SKIP)、盒式外显子(MSKIP)、单内含子保留(IR)、多内含子保留(MIR)、选择性外显子(AE)、选择性转录开始(TSS)选择性转录终止(TTS)在本研究中,OA组的TSS数量超过178,671个,其中一半是新转录本。MIR_ON类型最少。每种类型的转录本在生殖细胞和气孔细胞中占相似的百分比(图4A),OA体细胞中TTS和TSS含量低于生殖细胞(图4B)。

图4 精子发育细胞状态的鉴定

4、长读长转录组在不同精子发生阶段的表达

在精子发生的特定阶段,有超过2000个基因表达。已知的SSC标记包括UTF1、ID4和FGFR3,而分化标记包括KIT和DMRT1。然而,长读长转录组(SE-LRT)的特异性表达尚不清楚。在这里,不同的长转录组在生殖细胞和体细胞中特异性表达(图5A左)。并在NOA和OA之间存在显著差异(图5A左)。NOA组内皮细胞有13种SE-LRT, OA组无。OA(JUN、HSPA1A、SPARC、 CALM1、AARD)和NOA(MT-RNR2、PSMA7、RAB31、SERPINA5、GATM)的SE-LRT差异有显著性意义,提示NOA对睾丸微环境有显著影响。

图5 PacBio scRNA-seq揭示序列多样性 

5、OA中表达的长读长转录组基因组结构

AS可以从单个基因中产生多种mRNA,然后将其翻译成不同的氨基酸序列,从而产生具有不同功能的蛋白质异构体。在本研究只有CCNI在SSCs中有特殊表达。在精原细胞中发现 HMGB1和PTMA两个SE-LRT。在粗线期检测到10个SE-LRTs,表明粗线期中SE-LRTs的数量多于其他生殖细胞。还检测到a novel PABPC1 isoform在粗线期表达,鉴定了其他关键SE-LRT基因,包括RNFT1、SPAG6、CCT3、LYAR、CLGN和RPN2。SE-LRT未在中期和圆形精子中检测到。每个基因都有不同的长读长转录组结构,可以产生不同种功能蛋白。SE-LRT可能在相应的生殖细胞中发挥独特的作用。SE-LRT可能在相应的生殖细胞中发挥独特的作用。

图6 AS事件转录本的基因组结构,不同细胞类型样品中基因转录本结构的多样性

6、支持细胞(Sertoli)表达的长读长转录组的基因组结构

约50%的不孕症病例与男性有关,尤其是精子发生障碍。唯支持细胞综合征(SCOS)在男性中很常见,其特征是生殖细胞发育不全。支持细胞通过调控睾丸微环境,维持精原干细胞稳态,协助精母细胞完成减数分裂以及圆形精子变态发育,并将成熟的精子释放到精小管管腔参与精子发生。本研究在OA的支持细胞中发现了5种SE-LRT,包括JUN、SPARC、HSPA1A、AARD和CALM1(图7a)。其中,在NOA的Sertoli细胞中发现了SERPINA5、GATM、RAB31、PSMA7和MT-RNR2 5种SE-LRTs(图7b)。包括SERPINA5、GATM、RAB31、PSMA7和 MT-RNR2在NOA的支持细胞中被发现。与OA相比,NOA病理状态下支持细胞丢失了部分重要基因的正常表达,其中该部分基因丢失可能引起支持细胞功能障碍,从而导致睾丸衰老从而引起精子发生障碍。这可能会导致睾丸微环境衰竭。

图7 Sertoli细胞特异性表达转录本的基因组结构

7、长读长转录组的新基因组结构

支持细胞骨架主要由肌动蛋白和微管(MT)组成,支持精子发生。这些细胞骨架是毒物诱导男性生殖功能障碍的目标。在本研究中,NOA中肌动蛋白的结构发生了变化(出现了额外的外显子)。在我们的研究中,NOA没有长外显,这表明H3f3B可能在支持细胞中发挥重要作用,从而支持精子发生(图8A)。基因间转录本和反义转录本被定义为新基因。在此,我们选择了OA和NOA的4个新基因及其结构。在OA中,新基因61435与MAGEC2位置重合(图8B)。Novel Gene CLNS1A_AS在NOA中仅包含两个外显子,而Novel Gene serpin1_as由三个外显子组成(图8C)。

图8 新转录物和基因的基因组结构

 

结论

总之,本研究确定了OA和NOA的全长转录本,并发现了新的基因。此外,作者还检测到了特异表达的全长转录本,绘制了转录本在不同细胞类型中的基因组结构。这些发现可为人类精子发生和男性不育的治疗提供有价值的深度信息。

 

参考文献

Xiaolong Wu,Fei Sun, et al. Long-read single-cell sequencing reveals the transcriptional landscape of spermatogenesis in obstructive azoospermia and sertoli cell-only patients. 2024 Jan 8:hcae009. doi: 10.1093/qjmed/hcae009. Online ahead of print.

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