哺乳动物精子发生的进化

撰文 | 十一月

在哺乳动物中，睾丸通过精子发生产生配子，不同动物的精子在形态和分子水平上迅速进化。但是目前关于哺乳动物的中精细胞类型在分子进化中的异同还很不清楚。

近日，德国海德堡大学Henrik Kaessmann研究组、Florent Murat（第一作者）与Noe Mbengue（共同第一作者）在Nature 发文题为The molecular evolution of spermatogenesis across mammals，通过对11个物种精细胞的单核转录组分析，揭开了精子发生快速进化的分子特征。

作者们所关注的物种主要涵盖三个主要的哺乳动物谱系，真兽类、有袋类以及单孔目动物以及属于进化外群的鸟类。这些动物包括人类、黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、长臂猿、恒河猴、绒猴、小鼠、灰短尾负鼠、鸭嘴兽以及鸡。该单核转录组数据库由27个文库组成，每个物种有1-3个生物学重复。经过质量控制和过滤，作者们共获得了11个物种的97,521个高质量核的转录组，平均每个物种具有8,866个细胞，每个细胞检测到的中位数为1,856个RNA分子（图1）。

图1 单核转录组分析不同物种的精子发生

通过建立该图谱，作者们首先确定了主要的生殖细胞类型，包括促进精子发生的有丝分裂期精原细胞（Spermatogonia，SG）、减数分裂发生的精母细胞（Spermatocytes，SC）以及单倍体圆形精子细胞（round spermatids，rSD）和细长形精子细胞（elongated spermatids，eSD）（图1）。另外，作者们还在不同的物种睾丸中鉴定出了体细胞支持细胞，比如内皮细胞、巨噬细胞等等。在该研究中，七种灵长类动物之间密切进化关系使得作者们能够将这些物种的数据进行整合，从而识别出精子发生过程中中间事件所对应的亚细胞类型变化。作者们对所有涵盖的物种进行了细胞类型的主成分分析，对精细胞类型的发生进行排序同时也对细胞谱系的进化进程进行表征，差异变化时间间隔约为3.1亿年。

为了研究跨细胞类型的基因表达进化，作者们重建了基因表达发育树。作者们发现基因调控变化在进化过程中稳步积累，RNA丰度反映了哺乳动物谱系和物种的进化。进一步地，作者们构建了不同细胞类型的基因表达发育树，灵长类动物特异性分析提供了更高的分辨率。精子发生从减数分裂时期开始进化速率逐渐增加直到精子发生结束。尽管鸟类与哺乳动物进化分歧1.1亿年前就已经开始，但是人类和鸡之间不同类型精细胞差异水平与人与鸭嘴兽之间差异水平大致相同。因此，精子发生过程中的核心转录组是高度保守的。

那么精子发生晚期过程快速进化的驱动力量是什么呢？作者们提出了两种可能的自然选择模式。第一，精子发生的后期阶段净化选择较弱；第二，后期分化差异增大，可能是因为积极选择更强，固化了适应性突变。通过突变耐受性分析，作者们发现睾丸的快速进化是由基因表达变化的加速固定率、氨基酸替代和精子发生后期的新基因出现所共同驱动的，而这背后的原因可能是单倍体选择以及转录可及性的变化。

图2 自噬调节因子RUBCNL在人类精细胞谱系中显著的降低

最后作者们对精子发生过程中基因表达特征进行了总结。在7种灵长类动物中，有1687个基因的时空表达是高度保守的，反映了睾丸核心祖先基因表达程序的特征。另外，也有635个进化上改变的基因表达，作者们通过单分子RNA原位杂交对部分基因的表达特征进行了确认，比如自噬调节因子RUBCNL【1】在人类精细胞谱系中细长型精子中出现了显著的降低（图2）。除此之外，作者们也对性染色体的进化进行了描述。

总的来说，作者们的工作通过建立涵盖多个物种的睾丸单核转录组数据的进化分析图谱，发现了精子发生快速进化的驱动力并确定了跨物种的精细胞物核心表达程序。该工作为哺乳动物睾丸进化以及精子发生的研究提供了新的资源平台。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05547-7

制版人：十一

参考文献

1. Cheng, X. & Sun, Q. RUBCNL/Pacer and RUBCN/Rubicon in regulation of autolysosome formation and lipid metabolism. Autophagy 15, 1120–1121 (2019).