NCB | 赵小阳/高帅/常港揭示人类精子发生过程中的全局性DNA去甲基化参与减数分裂重组的调控

人类精子发生是一个高度有序的过程；然而，DNA甲基化和染色质可及性在这一过程中的作用在很大程度上仍然未知。

2023年9月18日，南方医科大学赵小阳、中国农业大学高帅及深圳大学常港共同通讯在Nature Cell Biology（IF=21）在线发表题为“Single-cell multi-omics sequencing of human spermatogenesis reveals a DNA demethylation event associated with male meiotic recombination”的研究论文，该研究通过使用改进的单细胞染色质整体基因组尺度景观测序方法同时研究染色质可及性、DNA甲基组和转录组景观，发现人类精子发生过程中的转录变化与染色质可及性变化相关。

该研究确定了一组具有潜在功能的转录因子和顺式元件。在人类精子发生过程中，发现了与雄性减数分裂重组有关的DNA去甲基化过程，该过程在人类和小鼠之间具有保守性。在某些非阻塞性无精子症患者的瘦素精细胞中可检测到异常的DNA高甲基化。在功能上，DNA去甲基化的干预影响了雄性减数分裂重组和生育。

精子发生是一个复杂的发育过程，在此过程中，精原干细胞(SSCs)可以在自我更新和分化之间取得平衡，然后经历从有丝分裂到减数分裂的连续细胞命运转变，最终产生高度特化的精子。基因突变或表观遗传变异对精子发生功能的破坏可导致男性不育。因此，阐明人类精子发生的调控程序是很重要的。在精子发生过程中，减数分裂通过减数分裂I前期的减数分裂重组对雄性生殖细胞遗传多样性的产生至关重要。在减数分裂I前期，发生了一系列事件，包括瘦素前期的DNA复制、瘦素期DNA双链断裂(DSBs)的形成、偶线期和粗线期的减数分裂重组，以及最后在二倍素期突触复合体的解离。减数分裂DSBs总是发生在重组热点，而不是随机分布在整个基因组。虽然PR结构域蛋白9 (PRDM9)被认为是决定减数分裂DSBs的关键调控因子，但在PRDM9功能之前的调控在很大程度上是未知的。

随着单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术的发展，以往的研究已经建立了整个人类精子发生过程的转录图谱。重要的是，DNA甲基化和染色质重塑已被发现对哺乳动物的细胞命运决定至关重要。在小鼠中，开放染色质的动态重组已被揭示在精子发生的某些阶段，而在雄性减数分裂开始时DNA甲基化的短暂减少也有报道。然而，由于细胞类型的多样性和缺乏特异性标记来丰富单个细胞类型，人类精子发生背后的DNA甲基化和染色质可及性的动力学和功能见解仍然知之甚少。最近一项使用表面标记物SSEA4富集人类SSCs的研究通过批量测序评估了人类SSCs的DNA甲基化和染色质谱；然而，有一个更原始的人类SSC集群缺乏SSEA4表达。然而，迄今为止积累的关于精子发生的表观遗传调控的信息主要来自大量样本分析，这可能会遗漏或掩盖重要的细胞亚群。

改进后的scCOOL-seq工作流程图（图源自Nature Cell Biology ）

该研究通过单细胞染色质整体基因组尺度景观测序方法(modified scCOLL-seq)进行了改进，将scCOLL-seq (DNA甲基化和染色质可及性)和scRNA-seq (STRT-seq)结合起来，同时获得来自同一单个细胞的DNA甲基化、染色质可及性和转录组三层信息。由转录组数据分配的准确细胞身份使人们能够了解人类精子发生过程中细胞命运转变的转录组和表观基因组信息。总之，该研究在单细胞分辨率下提供了人类精子发生的多组学景观，并提供了DNA去甲基化和男性减数分裂重组之间关系的见解。

南方医科大学赵小阳教授，中国农业大学高帅教授和深圳大学常港研究员为本文的共同通讯作者。南方医科大学黄亚萍博士，李琳教授，广州医科大学附属第三医院安庚教授，南方医科大学杨昕衍博士研究生、崔曼曼博士研究生为本文的并列第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41556-023-01232-7