项目文章|精子发生过程中组蛋白修饰的动态概况和转录偏好
发布时间：2021-03-18 10:03:02
1月1日，南通大学生殖医学研究院孙斐教授及其团队联合新格元生物科技有限公司在《Endocrinology》期刊发表了小鼠精子发生过程中组蛋白修饰的动态概况最新进展，题为：Dynamic Profiles and Transcriptional Preferences of Histone Modifications During Spermiogenesis。
研究背景
在精子发生过程中，除了遗传物质的形态改变以形成致密核外，广泛的组蛋白修饰还发生在单倍体精子发育过程中。更好地了解组蛋白修饰中涉及的组蛋白和酶的总体转录动力学和偏好，可以为剖析精子发生过程中的表观遗传特性和独特的染色质状态提供有价值的信息。
方法流程
为了探讨精子发生过程中基因表达和遗传物质重新包装/重组的动态变化，对5只4个月龄雄性C57BL/6小鼠睾丸样本进行了scRNA-seq，对不同发育阶段的精子细胞进行转录组分析。
研究结果
1.基于GEXSCOPE® scRNA-seq的成年B6小鼠精子发生的转录组分析
鉴定出24个连续的精子细胞簇和7个精母细胞簇，精子细胞的异质性明显高于精母细胞，尽管两种细胞类型在小鼠睾丸精子形成的精原上皮周期中都被划分为12个阶段，表明精子细胞的变态过程比精细胞的分化过程要复杂得多。通过标记基因的表达将Sc1-Sc7鉴定为精母细胞，Sd1-Sd15鉴定为精子细胞，Sd16-Sd24被定义为伸长精子细胞。在精子发生过程中，所有编码基因的平均表达水平逐渐升高，尤其是在伸长的精子细胞中。
图1 成年小鼠睾丸的转录组分析
2、精子发生过程中的组蛋白变异的表达动力学和转录偏好
在小鼠中已经发现了70多种组蛋白变异，它们的择优表达模式可以揭示精子发生动力学的相关信息。在从精原细胞到圆形精子细胞的每个簇中，复制独立的组蛋白H3f3b (H3.3B)的表达远远领先于所有组蛋白变体。在精子形成过程中出现两个H3f3b表达峰。其中一个表达高峰在Sc2中达到最高水平，在Sd1中明显下降；另一个在Sd13至Sd15之间达到高峰，在Sd16伸长精子细胞中突然下降。与圆形精子细胞相比，在精子发生过程中，晚期长形精子细胞组蛋白变体的平均表达水平显著上调，表明组蛋白变体对晚期精子发生很重要。
在所有捕获的睾丸细胞中，在30个高表达的组蛋白变异中，有16个H2a家族变异。筛选出的3个组蛋白(Sd15、Sd16、Sd17)靠近组蛋白-鱼精蛋白过渡阶段的前30个组蛋白变异也出现。在Sd24中，H2afb1的组蛋白含量最高。这些数据进一步说明了组蛋白H2a家族成员在精子形成过程中的重要但未知的作用。
图2 小鼠精子发生过程中的组蛋白变异转录动力学
3、组蛋白乙酰化修饰的转录动力学和偏好
从Sd12开始，组蛋白乙酰基writer整体表达水平逐渐下降。Kat2b的转录水平在精子期后期最高。在Sd17中，Kat2b表达下降，Kat8表达上升到top1。这些结果表明Kat2b和Kat8也是乙酰转移酶可能在组蛋白-鱼精蛋白转化之前导致组蛋白高乙酰化。
接下来分析了组蛋白乙酰化eraser，这些去乙酰化酶的平均表达量逐渐下降，从圆形精子期中期开始。在精原细胞至Sd18的所有阶段，Hadc1都保持了最高的去乙酰化酶的转录水平。推断了9个使用表达最多的2个乙酰酶簇的潜在组蛋白乙酰化偏好。例如，H4K16的乙酰化在精子细胞的大多数阶段可能是首选的。Baz1a呈双相表达，在Sc2 - Sc7和Sd15 - Sd18位点表达最多。众所周知的睾丸特异性溴域蛋白Brdt也在Sd8到Sd14的前3位基因中。
图3 精子形成过程中组蛋白乙酰writers, erasers和readers的转录动力学
4、精子形成过程中的组蛋白甲基化和转录偏好
在睾丸中，组蛋白甲基转移酶的表达表现出独特的簇特异性偏好。Ezh2在大多数精母细胞和圆形精子细胞阶段，所有组蛋白甲基转移酶均以最高水平表达。Nsd2也高表达。在精子形成过程中，所有组蛋白甲基化酶的平均表达水平逐渐下降，在伸长精子细胞中显著降低，但在伸长精子细胞中，Ehmt2和Nsd2保持在相对较高的水平。Ezh2、Nsd2和Ehmt2是表达抑制的甲基转移酶，这表明精母细胞和精子细胞具有表观遗传转录抑制和异染色质形成的潜在偏好。在Sg和IL中观察到两个例外：其中精氨酸甲基转移酶高度表达；精母细胞和圆形精子细胞中转录水平最高的组蛋白去甲基化酶倾向于H3K4me去甲基化。
几种代表性的组蛋白去甲基化酶也表现出分期特异性的表达模式。Rsbn1是精子细胞中去甲基化酶表达最高的。根据Nsd2和Rsbn1的转录模式，H4K20me2和H4K20me1在精子细胞发育的中后期都是丰富的。组蛋白甲基writer和eraser都以促进H3K27me生成和H3K4me去甲基化的方式表达，而这反过来又协同作用促进精子形成过程中异染色质的形成和染色体的压实。
图4 精子发生过程中组蛋白甲基writers和erasers的转录谱
5、组蛋白甲基readers的转录偏好和生精过程中Y联精子特异性甲基阅读器的独特模式
Morf4l1在精原细胞、精母细胞和圆形精子细胞中高度表达。Morf4l1表达在早期圆形精子细胞(Sd1-Sd3)中达到高峰，其表达水平超过了其他甲基readers。Psip1、Hdgfl1和Sgf29分别在精母细胞、早期圆形精子细胞、圆形精子细胞中晚期和伸长精子细胞中高表达，CoA结合蛋白Cdyl在伸长的精子细胞中转录水平非常高。组蛋白甲基readers从精原细胞向伸长精子细胞的整体表达趋势也逐渐下降。但从精原细胞到精子细胞圆形阶段表达的组蛋白甲基readers总数并没有下降的趋势。这一趋势是由于圆形精子细胞中Y染色体转录的Y连锁精子发生特异性转录本(Ssty)、Ssty1和Ssty2的大量重复拷贝的低表达所致。与Y染色体编码的组蛋白甲基readers类似，绝大多数Y染色体基因主要在圆形精子期(Sd4-Sd16)表达。然而，在精子发生过程中表达的大量Ssty拷贝的生理意义仍然未知。
图5 小鼠精子形成过程中组蛋白甲基readers的转录动力学
6、能量代谢的偏好影响精子形成过程中组蛋白酰化的模式
Acss2主要在精母细胞中表达，在圆形精子细胞中逐渐减少，随后在Sd15到Sd16中出现短暂但持续的小幅增加。精子细胞中两个主要的葡萄糖转运体Slc2a3/Glut3和Slc2a5/Glut5的表达水平在精子发生过程中逐渐下调。与此同时，关键糖酵解酶(Gapdhs和Pkm)和乳酸转运酶(Slc16a7/Mct2)在精子细胞转变过程中增加。因此，这一结果也表明，Sd15-Sd18可能更倾向于糖解活性，这与这些精子细胞更剧烈的代谢改变过程相一致。
Ep300在Sd14-Sd16中高表达，而Cdyl在Sd17和Sd18中表达量最高。在精子发生中，Cdyl调控组蛋白赖氨酸巴豆酰化，而组蛋白巴豆酰化在睾丸中伸长的精子细胞中高度表达。
Cdyl表达、赖氨酸乳糖化和H3K122琥珀酰化都在支持细胞细胞核中发现，表明这些代谢产物和酶在支持细胞的表观遗传调控中起着关键作用，并强调了支持细胞在精子形成过程中代谢产物供应和代谢调控中的核心作用。
图6 精子形成过程中代谢酶和某些酰基修饰的表达谱
7、精子发生过程中组蛋白激酶、组蛋白泛素化和组蛋白伴侣的转录谱
提供了一些组蛋白激酶的集群特异性表达模式。在这些激酶中，在从Sc3精母细胞到整个圆形精子细胞的大多数生殖细胞簇中，Haspin是最高表达的激酶，使H3T3磷酸化，H3T3p在精子细胞伸长的早期阶段(IX-X步骤)高表达，而不在精母细胞中表达，这与在精母细胞中观察到的Haspin高转录水平不一致。在圆形精子细胞中，H3T3p与异染色质具有很强的共域性，表明其在精子细胞染色质凝聚、转录抑制和异染色质形成方面可能发挥作用。但是在第9步和第10步中H3T3相对较高的磷酸化水平可能意味着它在精子细胞从圆形到伸长的转变中具有重要的，但未知的功能。
图7 组蛋白激酶在小鼠睾丸中的表达动态及H3T3p的独特表达模式
8、精子细胞核的致密化是一个渐进的过程，并不是在精子细胞伸长阶段开始的
组蛋白乙酰化、去乙酰化、组蛋白乙酰readers、组蛋白甲基化、组蛋白去甲基化、组蛋白甲基readers、组蛋白磷酸化、组蛋白泛素化等基因表达水平在精子发生过程中逐渐降低。因此，这一观察结果表明染色质压缩是一个渐进的过程，比精子细胞伸长开始得早得多。粗线精母细胞到精细胞伸长最后阶段组蛋白伴侣蛋白表达水平的逐渐降低也支持这一观察结果。精子发生过程中组蛋白修饰的总体变化趋势也与异染色质的逐渐增加相一致，异染色质与H3T3p在圆形精子细胞核中的表达逐渐增加共定位。
图8 精子形成过程中精子细胞核的逐渐致密化
研究结论
本研究使用scRNA-seq，通过在精子发生过程中通过转录组分析来评估组蛋白乙酰化和甲基化的组蛋白变体，writers，erasers和readers以及组蛋白磷酸化，泛素化和伴侣的表达动态。这种方法为精子发生过程中表观遗传修饰子/组蛋白变异体表达中涉及的基因提供了前所未有的全景视图。此处报道的结果揭示了精子发生过程中组蛋白的转录等级，组蛋白修饰及其reader，强调了精子细胞表观遗传调控的独特偏好。这些发现还强调了精子代谢偏好对表观遗传修饰的影响。尽管观察到所有编码基因和组蛋白变体的转录水平都有上升的趋势，但组蛋白修饰中的基因的转录组概况及其reader却显示出下降的趋势。
参考文献
Li Y, Mi P, Chen X, Wu J, Qin W, Shen Y, Zhang P, Tang Y, Cheng CY, Sun F. Dynamic Profiles and Transcriptional Preferences of Histone Modifications During Spermiogenesis. Endocrinology. 2021 Jan 1;162(1):bqaa210. doi: 10.1210/endocr/bqaa210.
