哺乳动物精子发生过程的单细胞转录组——从精原干细胞到精细胞

Hermann BP, Cheng K, Singh A, et al. The Mammalian Spermatogenesis Single-Cell Transcriptome, from Spermatogonial Stem Cells to Spermatids. Cell Rep. 2018;25(6):1650-1667.e8

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30404016

总体实验设计

fig1.png

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样本及数据集概述

Samples	Cells	Clusters	Method
Adult human testis (unselected)	7,134	16	10x Geonomics
Adult mouse testis (unselected)	4,651	17	10x Geonomics
P6 mouse testis （unselected）	3,466	11	10x Geonomics
P6 mouse testis （sorted, ID4-EGFP-bright/dim）	9,628	12	10x Geonomics
Adult mouse spermatogonia (sorted, and )	6,945	14	10x Geonomics
Adult human spermatogonia (-)​	11,104	10	10x Geonomics
Adult mouse spermatogonia (sorted, ​ and ​)	300	2	Fluidigm C1
Adult human spermatogonia (-)​	635	3	Fluidigm C1
Adult mouse spermatocytes （StaPut enriched）	4,233	10	10x Geonomics
Adult human spermatocytes （StaPut enriched）	4,884	13	10x Geonomics
Adult mouse spermatids （StaPut enriched）	1,662	11	10x Geonomics
Adult human spermatids （StaPut enriched）	7,434	15	10x Geonomics

样本来源：

• 人：2个器官捐赠者的全睾丸（平均34岁），28个梗阻性无精症患者（平均42岁）睾丸活检组织。处理前的冷却时间平均24小时。

• 小鼠：遗传背景为C57BL/6J

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重要的结论

Overall

1. 从精原干细胞 (SSC) 到精细胞 (Spt)，人和鼠中的house-keeping genes的数量分别为9,400/28,625和7,031/20,939

Spermatogonia development

2. 在SSC发育过程中，人和小鼠的基因表达模式有非常高的一致性。(具体来说，在SSC-enriched cluster中，人鼠14,668个同源基因只有286个差异表达【FC>2 & p<0.01】)

3. Trajectory analysis表明：

   1. 无论在人还是小鼠，SSC在发育过程中没有branch。

   2. 在小鼠的第一生精波过程中，SSC没有branch。

4. 在成年的人和小鼠中，The hepatic stellate cell activation pathway和SSC的命运决定相关。这表明在静息状态向增殖分化状态的转换过程中，SSC也许能响应细胞因子。

5. During the steady state and first wave spermatogenesis, the involved pathway is quite different.

   
   
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Spermatocyte development

6. 在精母细胞发育过程中，在基因表达模式上，人鼠仍然具有高度一致性。(人鼠15,684个同源基因只有404个差异表达【FC>2 & p<0.01】)

   1. 实际上这一点有待商榷，如果Pseudotime是正确的，那么有些基因在表达上确实存在时间上的差别，比如CETN3基因，在小鼠中是双线期表达，而在人中是在中粗线期表达。同样的例子还有RAD51【人晚粗线期vs鼠前细线期】。但是PIWIL1在人鼠中是完全一致的，都是在晚粗线期表达。【注：这里的时期都以作者的标注为准】
      
      fig3.png

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• Unsorted Spermatocytes

• StaPut enriched pachytene spermatocytes

Spermatid morphogenesis

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7. 人鼠16,016个同源基因只有632个差异表达【FC>2 & p<0.01】

8. 通过Trajectory analysis发现，在人的精子发生过程中，出现了一个brach，但在小鼠中没有。作者没有进一步细究这个现象。
   

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   fig9.png

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Unique 3-gene identifiers distinguish 11 spermatogenic cell types in mice and humans

作者通过单细胞数据的结果，对人鼠11种生精细胞分别选取了3个markers，进行RT-PCR验证，这个数据表明通过这33中marker，可以基本上反推出来testis中有哪些细胞，这个结果具有临床诊断的意义。