雄性動物睪丸的主要任務是產(chǎn)生精子。精子發(fā)生過程包括精原細胞自我更新、精母細胞減數(shù)分裂和精子變形等高度保守的機制，且在物種間高度保守。同時，每個物種的精子發(fā)生具有一定的特異性，以適應該物種獨特的生存與繁殖需求。維持這些過程的分子機制涉及一些關(guān)鍵保守基因，而這些核心基因表達程序確保配子的正常形成。為剖析精子發(fā)生如何在強大選擇壓力下保持穩(wěn)定，中國科學院動物研究所研究員郭靖濤與美國芝加哥大學教授徐宇君合作，探討了精子發(fā)生的核心遺傳基礎，解析了這一保守過程的調(diào)控程序。相關(guān)研究成果以Cross-Species Comparative Single-Cell Transcriptomics Highlights the Molecular Evolution and Genetic Basis of Male Infertility為題，發(fā)表在《細胞報告》（Cell Reports）上。科研人員以人、小鼠、果蠅三個基因組注釋相對完善的遠距離物種為研究對象，揭示了與精子發(fā)生相關(guān)的保守基因和關(guān)鍵分子程序，建立了精子發(fā)生的核心遺傳基礎，對精子表型進化和男性不育的內(nèi)在機制提出了見解。該研究通過比較已發(fā)表的人、小鼠和黑腹果蠅的睪丸單細胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)集，基于各物種的標記基因，比較了各個生殖細胞類型的基因表達模式，識別出在3個物種精子發(fā)生過程中動態(tài)表達的1277個保守基因。這些基因在精子發(fā)生早期的表達處于峰值，并隨著細胞分化為精子逐漸下降，與精子變形階段的快速進化現(xiàn)象相符。進一步，研究分析這些保守基因的富集情況發(fā)現(xiàn)，睪丸的分子保守性由與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、減數(shù)分裂、能量代謝相關(guān)的分子模塊維持。與人類精子發(fā)生障礙相關(guān)基因聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，部分基因與該研究識別的核心基因重疊，表明核心基因在男性不育中具有參考意義。例如，DAZL基因與男性不育相關(guān)，在不同物種中的保守功能已被證實。同時，研究通過與1,011名男性的精子發(fā)生障礙遺傳變異進行比較，驗證了17個核心基因在男性無精癥診斷中的潛在重要作用，為不育篩查提供了具有價值的候選基因。為進一步挖掘影響生殖細胞發(fā)育的潛在基因，研究利用CRISPR/Cas9技術(shù)在果蠅模型中進行大規(guī)模敲除驗證，鑒定了新的精子發(fā)生障礙風險基因，確認了3個基因在精子發(fā)生中的關(guān)鍵作用和機制，揭示了精子中心粒形成和類固醇/脂質(zhì)代謝過程的表達和功能層面的保守性，為男性不育的遺傳學診斷提供了數(shù)據(jù)支持。該研究利用深度學習算法“女媧”探討了轉(zhuǎn)錄因子（TFs）如何通過物種特異性DNA序列調(diào)控精子發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，“女媧”模型預測的序列基序在精子發(fā)生過程中表現(xiàn)出動態(tài)變化，與已知的精子發(fā)生相關(guān)TFs高度一致。通過與單細胞ATAC-seq數(shù)據(jù)對比，研究驗證了這些基序的可靠性，揭示了跨物種比較中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制的保守性與差異性。這為剖析精子發(fā)生過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新視角。這一研究提出了將比較轉(zhuǎn)錄組學、進化生物學和深度學習結(jié)合，并利用果蠅作為模式生物進行大規(guī)模候選基因驗證的新研究模式。該模式發(fā)揮了計算分析的高效性與果蠅繁殖周期短的優(yōu)勢，展示了整體框架的優(yōu)越性和實用性。同時，這一范式為其他發(fā)育過程的系統(tǒng)研究提供了技術(shù)參考。論文鏈接研究新范式揭示男性不育的核心遺傳基礎