附睪精子過渡期間獲得的small RNA對小鼠胚胎發(fā)育至關重要

欄目：最新研究動態(tài) 發(fā)布時間：2018-08-07
哺乳動物精子裝載的 small RNA在發(fā)育過程中發(fā)生顯著改變，因為在附睪的睪丸后成熟過程中......

哺乳動物精子裝載的 small RNA在發(fā)育過程中發(fā)生顯著改變，因為在附睪的睪丸后成熟過程中，幾波microRNA和tRNA片段被運送到精子。近日，來自美國馬薩諸塞大學醫(yī)學院的研究人員Rando在DEVELOPMENTAL CELL（IF=9.616）發(fā)表了一篇題為“Small RNAs Gained during Epididymal Transit of Sperm Are Essentialfor Embryonic Development in Mice”的文章，他們利用這一發(fā)育過程來探測精子RNA有效載荷在胚胎植入前發(fā)育中的功能。他們使用從近端（頭部）與遠端（尾部）附睪獲得的精子通過卵胞漿內單精子注射（ICSI）產生受精卵，然后記錄所得胚胎發(fā)育的表型特征。使用頭部精子產生的胚胎在整個植入前發(fā)育過程中顯著過度表達多種調節(jié)因子，隨后植入效率低下，并且在植入后很快失敗。值得注意的是，將純化的附睪尾部特異性小RNA顯微注射到頭部衍生的胚胎中不僅完全挽救了植入前的分子缺陷，而且還抑制了植入后的胚胎致死性表型。這些發(fā)現(xiàn)揭示了哺乳動物精子睪丸后成熟過程中小RNA重塑的重要作用，并確定了對精子傳遞的microRNAs有反應的特定植入前基因表達程序。

 

技術路線：

 

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主要結果：

1 多個表觀遺傳調控因子在附睪頭部來源精子產生的胚胎中（4細胞，8細胞）的過度表達。

 

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圖1 實驗路線

（A）從近端（頭部）和遠端（尾部）附睪獲得的精子攜帶不同的小RNA群（Nixon et al，2015; Sharma et al ，2016）。（B）不同精子來源（ICSI）的胚培養(yǎng)到指定階段并進行RNA-seq. （C）2細胞階段合子基因組激活（ZGA）的主要波。平均mRNA豐度的散點圖（對于18小時胚胎（前ZGA，x軸）與28小時胚胎（后ZGA，y軸）平均值相比，差異表達的基因（ p <0.05）顯示為紅色和綠色圓點。（D）2細胞階段合子（附睪頭部和尾部精子來源）18、28小時胚胎顯著ZGA基因的熱圖。（E、F）Caput與Cauda胚胎在18小時（E）和28小時（F）的平均mRNA豐度（如C）的散點圖，顯示無顯著差異。

 

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圖2 睪丸后精子成熟對植入前基因調控的影響

（A）附睪頭部和尾部的精子產生的胚全部基因表達對比散點圖，紅色點為37個顯著差異基因（P<0.05）（B）在頭部胚胎中過表達的8個基因與尾部胚胎在單個4細胞胚胎的數(shù)據(jù)。黑條顯示每組的中值表達胚胎。 *，**和***分別顯示調整后的p值低于0.1,0.01和0.001。（C）4細胞胚后期的基因表達差異。（D）在所有階段95個基因差異表達(p adj <0.1)熱圖。

 

2 Caput-Derived胚胎在植入后發(fā)育中表現(xiàn)出多重缺陷。

 

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圖3附睪頭部的精子在移植后早起發(fā)育失敗

（A）   胚胎移植的實驗示意圖。（B）睪丸精子和尾部附睪精子都能夠支持從受精到出生的類似胚胎發(fā)育，而頭顱精子獨特地引起調節(jié)和發(fā)育畸變。Caput和Cauda胚胎的成功率.（C）各自用Cauda或Caput胚胎轉移,從一只雌性中解剖的所有胚胎的圖像。（D）所有胚胎移植解剖的定量分析。

 

3 睪丸精子和Cauda附睪精子都能夠支持從受精到出生的類似胚胎發(fā)育，而Caput附睪精子獨特地引起調節(jié)和發(fā)育畸變。

 

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圖4 睪丸來源精子產生的胚的分子機制分析

（A）   睪丸來源精子ICSI 過程概要。（B）睪丸精子來源和Canda 附睪來源的胚4細胞時期基因表達的比較。（C-D）比較了4個細胞（C）和胚泡（D）階段的Cauda和睪丸胚胎之間的mRNA豐度（所有基因的中值tpm> 10）散點圖。

 

4在附睪過渡期間獲得的small RNAs挽救Caput-Derived胚的缺陷。

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圖5 Cauda特異性的miRNA恢復Cauda胚的生長。

（A）Cauda特異性的miRNA純化和微注射概要圖。（B）Cauda特異表達抑制的 RNA 過表達在Caput-derived胚。（C）Caput對mRNA豐度的影響（x軸，log 2倍變化Caput / Cauda）對小RNA注射的影響（y軸，log 2倍變化）的散點圖。

 

5 Cauda特異性small RNAs拯救了Caput-Derived胚胎的發(fā)育。

 

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圖6  Cauda特異性MicroRNAs，而不是tRFs，可以挽救Caput植入前的缺陷

（A）   MicroRNAs, tRFs 微注射實驗概況。（B）附睪體RNA的純化。 從Cauda附睪體中純化的兩個重復總RNA樣品的丙烯酰胺電泳。 框顯示了用于微小RNA和tRF的凝膠純化的邊界。（C）單個4細胞期Cauda（n = 23），Caput（n = 23），Caput + microRNA（n = 22）和Caput + tRF（n = 21）胚胎的mRNA豐度，代表性Caput –上調基因。（D）比較Caput效應（x軸）和microRNA效應（y軸）對4細胞期胚胎中mRNA豐度的散點圖（E-F）在4細胞期胚胎（E）和胚泡階段（F）microRNA和tRF對Caput上調基因影響的直方圖。

 

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圖7 Cauda特異性小RNAs拯救Caput胚胎的發(fā)展
（A）Small RNA注射流程圖。（B）圖像顯示了由用RNA顯微注射的頭部衍生胚胎產生的成功的實例。下表列出了成功率，如圖3B所示。