解码人类性腺发育路线图

撰文 | Qi

性腺发育是一个复杂的过程，涉及到性别决定，即睾丸或卵巢的分化成熟。在人类中，出现在中肾腹侧面未分化的双能性腺决定了卵巢或睾丸的命运，受孕后约6周，表达Y连锁睾丸决定因子SRY的性腺体细胞分化为睾丸支持细胞（Sertoli cells），而在缺乏该因子时则分化为颗粒前细胞（preGCs，卵巢支持细胞）【1,2】。在雄性中，作为配子前体的原始生殖细胞（primordial germ cells,PGCs）分化为前精原细胞，与睾丸支持细胞形成索状结构并进入有丝分裂停滞，而在女性中，PGCs分化为卵原细胞，随后进入从有丝分裂到减数分裂的异步过渡。在发育后期，颗粒细胞围绕初级卵母细胞形成原始卵泡，在青春期之前保持静止。然而，有限的组织可及性、缺乏可靠的体外模型以及人和小鼠之间的关键差异阻碍了人们对于人类自身性腺发生的了解。

2022年7月6日，来自英国威康桑格研究所的Roser Vento-Tormo团队在Nature杂志上发表了一篇题为Single-cell roadmap of human gonadal development的文章，他们使用单细胞多组学和空间方法解开了在空间和时间上介导人类性腺发育的细胞和分子程序，发现了体细胞谱系中先前从未表征的、与发育过程中起源的性腺条件相关的细胞异质性，为体外性腺发生提供指导。

研究人员首先通过scRNA-seq、scATAC-seq和snRNA/scATAC-seq三种单细胞基因组学方法分析了涵盖性别决定和分化为卵巢和睾丸的阶段的妊娠早期和中期（6-21 PCW）的人类性腺和邻近性腺外组织，同时使用Visium和单分子荧光原位杂交（smFISH）生成空间转录组学数据。为了比较人类生殖细胞与其他哺乳动物的分化，作者将人类和小鼠性腺生殖细胞与更多来自小鼠和猕猴性腺生殖细胞scRNA-seq数据集整合在一起【3-5】，发现了比如GATA4是在GC中上调的灵长类动物特异性TFs，以及SOX4在PGCs和前精原细胞中的活跃性和在卵子发生过程中被下调等差异特征。

已知性腺嵴的体腔上皮是性腺体细胞的主要来源【2】，根据轨迹推断，作者确定了将GATA4+体腔上皮与支持细胞和preGC-I连接起来的双能早期支持性腺细胞（early supporting gonadal cells,ESGCs），该细胞在早期性腺中短暂出现，是早期性腺中产生性别特异性支持细胞的双能前体。性腺-中肾交界是早期性腺发生过程中广泛组织重塑的部位，包括调节细胞迁移、血管化和睾丸网的形成，作者在此处定义了一群先前并未表征过的、表达性腺和支持细胞标记的PAX8+群体（sPAX8s），包含早晚期两个子集，可介导睾丸网和卵巢网的形成。

图1. sPAX8谱系形成睾丸网。

除了上述发现之外，作者还发现随着人类卵巢发育，仅限于髓质的preGC-I和在8 PCW之后在皮质中出现的preGC-IIa/b。作者想知道不同皮质和髓质微环境中的人类preGCs如何影响生殖细胞分化，于是他们利用CellPhoneDB数据库并对其进行扩展，发现PreGC-IIa细胞存在于卵巢外皮层，表达趋化因子（如NRG1）和存活因子（如KITLG），PreGC-IIb细胞位于内皮层，表达参与减数分裂起始和卵生成的配体以支持PGCs分化。而在髓质中，preGC-Is上调参与雌激素产生的酶（HSD17B6和CYP19A1）。在大约17 PCW时，preGC-IIb细胞分化成发育中的颗粒细胞，围绕卵母细胞介导卵泡形成或调节卵母细胞存活。

组织驻留巨噬细胞已被证明在小鼠睾丸发育和功能中发挥作用【6】，为了在人类中更加全面地进行表征，作者通过scRNA-seq定义了两个睾丸特异性巨噬细胞群，分别是具有破骨细胞样特征的SIGLEC15+胎儿睾丸巨噬细胞（ftMs）和具有小胶质细胞样特征的TREM2+ftMs，并使用smFISH对其进行验证。他们发现SIGLEC15+ftMs主要定位于睾丸索周围的管周空间中，表达重塑分子MMP9，提示在中肾内皮细胞迁移中的作用，同时表达LGALS9和SPP1，与这种细胞类型的潜在免疫调节作用保持一致。此外，TREM2+ftM则主要位于睾丸索内，具有吞噬活性（MERTK、AXL等）并表达免疫调节分子（CD276、IL10、TREM2等），说明TREM2+ftM在去除受损或凋亡细胞中的作用，同时最大限度地减少可能损害成熟生殖细胞的炎症和氧化应激。

图2. 发育中睾丸中的组织驻留巨噬细胞。

总的来说，这项工作所提供的人类和小鼠性腺发育综合细胞图为研究性腺功能，以及了解不孕症、性发育差异和性腺病理学提供了独特资源。另外，这篇文章所给出的跨物种TFs比对，将作为设计体外分化性腺体细胞系统的蓝图，将可能影响新的体外配子发生方案的开发。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04918-4

制版人：十一

参考文献

1. Albrecht, K. H. & Eicher, E. M. Evidence that Sry is expressed in pre-Sertoli cells and Sertoli and granulosa cells have a common precursor.Dev. Biol.240, 92–107 (2001).

2. Nef, S., Stévant, I. & Greenfield, A. Characterizing the bipotential mammalian gonad.Curr. Top. Dev. Biol.134, 167–194 (2019).

3. Niu, W. & Spradling, A. C. Two distinct pathways of pregranulosa cell differentiation support follicle formation in the mouse ovary.Proc. Natl Acad. Sci. USA117, 20015–20026 (2020).

4. Mayère, C. et al. Single-cell transcriptomics reveal temporal dynamics of critical regulators of germ cell fate during mouse sex determination.FASEB J.35, e21452 (2021).

5. Zhao, Z.-H. et al. Single-cell RNA sequencing reveals regulation of fetal ovary development in the monkey (Macaca fascicularis).Cell Discov. 6, 97 (2020).

6. Shechter, R., London, A. & Schwartz, M. Orchestrated leukocyte recruitment to immune-privileged sites: absolute barriers versus educational gates.Nat. Rev. Immunol. 13, 206–218 (2013).

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