2020年12月16日，中国医学科学院基础医学研究所宋伟团队和余佳团队合作在基因组学领域专业期刊Genome Research发表了题为“Panoramic transcriptome analysis and functional screening of long noncoding RNAs in mouse spermatogenesis”的研究论文。本研究系统性描绘了长链非编码RNA（long noncoding RNA, lncRNA）在小鼠精子发生过程中的动态转录组图谱，联合快速高效的在体精子发生及功能评价模型筛选出具有潜在调控功能的lncRNA，并在单细胞尺度详细解析了lncRNA Gm4665在精子形成时期的重要生理功能。
精子发生（Spermatogenesis）是睾丸组织内精密调控的细胞分化过程，主要包括有丝分裂、减数分裂和精子形成等过程。在哺乳动物的各类器官发育中，精子发生呈现出最为丰富的转录多样性，特别是lncRNA尤其显著。据研究报道，lncRNA能够以组织特异表达的形式在器官发育或细胞分化过程中发挥关键的调控功能。迄今为止，在人类和其它哺乳动物的睾丸基因组中虽然已鉴定发现了大量特异表达的lncRNA，然其在精子发生中的生理功能尚未得到详细阐明。
本研究从小鼠睾丸中分离6种类型的生精细胞，通过RNA-seq描绘lncRNA在精子发生中的动态转录组图谱，并鉴定出8418个注释lncRNA以及523个全新未注释lncRNA。深入分析发现lncRNA与其邻近的第一个蛋白编码基因相关性最强，根据两者的基因组位置关系分别定义为“顺式关联”和“反式关联”；将“顺式关联”的lncRNA又分为6种不同的生物类型。通过与重要蛋白编码基因的基因座共定位或共表达分析，对精子发生中动态变化的lncRNA进行了功能预测。为了进一步在体内水平筛选精子发生中的功能性lncRNA，本研究结合腺相关病毒运载系统和睾丸网显微注射技术构建了小鼠在体精子发生及功能评价模型，经筛选发现3个在精子发生中发挥重要生理功能的lncRNA（Gm4665, 1700027A15Rik, 1700052I22Rik）。最后，联合在体生精功能研究模型、单细胞转录组测序（Single-cell RNA-seq）以及ChIRP-seq在单细胞尺度阐明lncRNA Gm4665在精子形成时期的重要生理功能。研究发现lncRNA Gm4665主要富集在功能性生精基因（包括Ip6k1, Akap3及Hook1等）的启动子区域或染色质开放区域，敲降该lncRNA后能够在转录水平抑制功能性生精基因的表达，从而导致圆形精子向长形精子分化异常。
研究路线示意图
综上，本研究系统性描绘了小鼠精子发生过程中lncRNA的动态表达图谱，并开发了哺乳动物睾丸组织内筛选功能性lncRNA的在体生精功能研究模型，从“系统发现”、“功能筛选”到“机制解析”多个层面阐释了lncRNA对精子发生的重要性，为lncRNA在雄性生殖发育领域的进一步研究提供了资源和范式。
本研究工作得到中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2017-I2M-3-009, 2016-I2M-1-001, 2017-I2M-1-015）等项目的资助。中国医学科学院基础医学研究所宋伟研究员、余佳研究员和马艳妮副研究员为该论文共同通讯作者，李凯助理研究员、徐嘉悦博士后和罗艳云博士为该论文的共同第一作者。
文章链接：
https://genome.cshlp.org/content/early/2020/12/16/gr.264333.120.full.pdf+html
中国医学科学院基础医学研究所
