小鼠精子发生与相关基因调控研究进展

精子发生是一个生殖细胞不断增殖和分化的特殊历程,此过程中精原细胞进行自我更新和分化,产生的精母细胞经历2次减数分裂形成了圆形精子,而圆形精子最终经过形态和细胞学变化成为长形精子。文章阐述了这一复杂而有序的过程中受生精细胞内众多基因的调节,这些基因具有时间和空间上阶段性表达特征,在同源重组、染色体联会、染色质浓缩和精子头尾形成等精子发生的特殊过程中起决定性作用。并就近年来许多基因在精子发生中重要作用进行综述。

过氧化物酶体生物发生因子5(PEX5)缺失导致小鼠精子发生失败和不育

目的:过氧化物酶体生物发生因子5(PEX5)对雄性小鼠精子发生及生育功能的影响。方法:利用CRISPR/Cas9及LoxP/Cre技术构建睾丸特异性Pex5基因敲除(Pex5 cKO)小鼠模型,通过苏木精-伊红染色(HE)、免疫蛋白印迹(Western blot)和免疫荧光(IF)染色分析评估雄性小鼠的生殖器官及精子发生的情况。结果:Pex5 cKO雄性小鼠正常成熟交配窝仔数为0,与野生型(WT)雄性小鼠窝仔数(6.32±0.26)相比差异有统计学意义(t=21.46,P<0.0001),且HE染色结果发现,Pex5 cKO小鼠附睾中无精子发生。结论:PEX5在小鼠精子发生过程中发挥重要作用。

广西北部湾海域织锦巴非蛤精巢发育、精子发生及超微结构研究

为了解广西北部湾海域织锦巴非蛤(Paphia textile)精巢发育、精子发生及成熟精子的超微结构,文章采用解剖观察、精巢组织切片、扫描和透射电镜技术进行了研究。结果表明,所采集织锦巴非蛤中未发现雌雄同体,观察的个体皆为雌雄异体,将其精巢发育划分为增殖期、生长期、成熟期、排放期、休止期5个时期,织锦巴非蛤精巢成熟与排放期在9月-翌年1月。精子发生分为精原细胞期、初级精母细胞期、次级精母细胞期、精细胞期、成熟精子期5个时期。织锦巴非蛤成熟精子由头部、中部和尾部组成,为典型的鞭毛型精子,全长约为46.04μm。精子头部分为顶体和精核,顶体为圆锥形,精核呈长圆柱形,前端直径约为0.71μm,后端直径约为1.34μm;中部由4个环绕成瓣状的线粒体与2个相互垂直的近、远端中心粒组成;尾部鞭毛长约38.8μm,直径约为0.21μm,外被质膜,为典型“9+2”双联体微管结构。研究结果为织锦巴非蛤的繁殖生物学、人工苗种繁育及种质资源保护提供研究基础。

D930020B18Rik在小鼠精子发生过程中的表达特征及其潜在功能

目的:揭示D930020B18Rik(RIKEN cDNA D930020B18)基因在小鼠和人各发育阶段睾丸的表达特征,探讨其在哺乳动物精子发生中的可能作用。方法:基于小鼠基因表达芯片筛选到睾丸高表达基因D930020B18Rik,利用实时定量RT-PCR、免疫组化、免疫印迹、免疫荧光等方法揭示其在小鼠和人睾丸中的表达特征,应用生物信息学分析及双荧光素酶分析、细胞周期同步化等方法进行初步的功能和分子机制验证。结果:D930020B18Rik在小鼠出生后前2周的睾丸组织中表达水平较低,且主要定位在精原细胞细胞质;从第3周开始直到性成熟,D930020B18Rik在睾丸持续高丰度表达,且主要定位在精母细胞、圆形精子和长形精子的细胞核,但是在成熟精子的细胞核表达缺失。进化树分析显示在哺乳动物中D930020B18Rik蛋白序列高度保守。基因富集生信分析提示D930020B18Rik及其同源蛋白,可能通过参与核质浓缩(NES=1.652,P<0.01,FDR=0.153)、减数分裂(NES=1.960,P<0.01,FDR<0.001)、有丝分裂微管细胞骨架组成等(NES=1.903,P<0.01,FDR=0.009)实现对哺乳动物精子发生的调控。通过双荧光素酶试验发现了转录因子klf5和foxo1可以识别和结合D930020B18Rik启动子,并分别发挥正向和负向转录调控作用。结论:D930020B18Rik在小鼠睾丸呈与精子发生高度相关的时空特异性表达,且主要定位在生精细胞的胞核,可能参与了精母细胞减数分裂和精子变形等过程。

精子发生障碍分型诊疗中国专家共识

中国不孕不育症日趋严重,发病率高达18%,主要由配子发生障碍导致[1]。精子发生障碍(spermatogenic failure,SPGF)简称生精障碍,是男性不育的疑难重症,包括非梗阻性无精子症(non-obstructive azoospermia,NOA)、隐匿精子症(cryptozoospermia)和严重少精子症(oligozoospermia,精子浓度小于5×10~6/ml)[2-3]。

染色质三维构象在精子发生中的研究进展

染色质是调节生物体遗传的重要物质,是维持细胞有序表达基因及蛋白质的重要载体。随着科学技术的不断进步,许多研究通过染色质构象捕获技术(High-Through Chromosome Conformation Capture,Hi-C)对染色质内部结构进行解析,对染色质区室、染色质疆域等有了更清晰的认识。在哺乳动物的精子发生过程中,染色质结构的改变对基因调控等起到了重要作用。精子发生是精原细胞增殖分化形成精子的过程,包括精原细胞的自我更新与分化、精母细胞的减数分裂以及精细胞的变形。本文主要阐述染色质三维构象捕获技术及其衍生技术、染色质的层级结构、精子发生过程中染色质三维构象变化的前沿进展,为精子发生的机制研究提供新思路。

单细胞转录组测序技术在精子发生研究中的应用进展

精子发生是在哺乳动物睾丸内通过一系列细胞分化和发育,最终形成精子的过程,在时间和空间上具有高度异质性。随着生物信息学的不断更新与发展,以往研究大多依赖于对各种细胞类型的RNA进行分析。然而,从睾丸中分离每一种细胞类型是非常大的挑战,因此在转录组水平上对于不同类型的睾丸生殖细胞的研究相对较少。近年来,由于科技的进步和发展,单细胞转录组测序(scRNA-Seq)技术已推出多种测序平台,其使用范围和场景不断扩大,在神经、肿瘤、免疫、生长发育和疾病等领域广泛应用,研究对象主要涉及人、模式生物及家畜。该技术可高效捕获睾丸内单个细胞,进行高通量测序分析,获取其转录组水平信息,精细描述其细胞类型,揭示细胞异质性,并推测其发育轨迹。目前,scRNA-Seq已经开始从家畜生殖细胞的角度对家畜精子发生相关机制进行更深入的探究,以此进一步研究家畜精子发生的相关过程。因此,作者在阐述scRNA-Seq技术方法的基础上,总结论述了其在牛、羊和猪等家畜精子发生领域中的应用进展,为家畜精子发生的研究提供理论基础。

广西北部湾海域施氏獭蛤精巢发育、精子发生及超微结构观察

为探究广西北部湾海域施氏獭蛤精巢周年发育、精子发生的组织学和超微结构变化,文章采用组织切片、扫描及透射电镜技术对广西北部湾海域施氏獭蛤精巢周年发育、精子发生和超微结构进行了研究。结果表明,广西北部湾海域施氏獭蛤精巢发育周期为1年,可划分为增殖期、生长期、成熟期、排放期和休止期,繁殖盛期为12月至翌年4月,每期5%~10%个体精巢发育略滞后。精子发生可划分为增殖期、生长期、成熟期和变态期。雄性生殖细胞的发育可划分为精原细胞期、初级精母细胞期、次级精母细胞期、精细胞期、成熟精子期。施氏獭蛤精子属于鞭毛型,全长(39.76±0.50)μm。精子头部由近椭圆形的顶体和精核组成,顶体底部与精核相连处凹陷形成亚顶体腔,精核顶部形成核前窝,精核底部形成核后窝,细胞核内电子密度均匀,核中部存在间隙。中心粒复合体周围有4个线粒体围绕组成精子中部,线粒体近圆形,内嵴明显。质膜包裹轴丝形成精子尾部,尾部横切面可明显观察到“9+2”双联体微管结构。此外,施氏獭蛤存在A、B两种不同类型的精原细胞,A型精原细胞核内核仁不明显, B型精原细胞核内核仁明显, B型精原细胞存在于增殖期和生长期。

睾丸类器官在体外精子发生中的研究进展

随着全球不孕不育问题的日益严重,特别是男性不育症的比例逐年上升,睾丸类器官的研究为这一领域提供了新的希望和策略。本综述全面探讨了睾丸类器官在模拟自然生精环境、深入探究精子发生机制以及应对男性生殖健康挑战中的应用。首先,介绍了睾丸的生理功能和精子发生过程的重要性,关注了睾丸组织体外培养和睾丸细胞重聚类器官的技术及其研究进展。其次,探讨了睾丸类器官在探究分子机制、药物筛选和毒性评估及男性生育力保存方面的潜在应用。最后,对当前方法的局限性和未来研究方向进行了讨论,特别是在提高体外环境下精子质量和成熟度方面的研究成果。尽管睾丸微环境复杂,在体外完整模拟人类精子发生仍面临挑战,但睾丸类器官领域的不断发展有望为临床生殖医学和男性健康研究提供新的解决方案。

硒对环磷酰胺致生精功能损伤小鼠精子发生的改善作用及机制

目的:基于溶质载体家族7成员11-谷胱甘肽过氧化酶4(SLC7A11-GPx4)信号通路探讨硒对环磷酰胺(CTX)致生精功能损伤(SI)模型小鼠精子发生的改善作用及机制。方法:将36只KM小鼠随机分为6组,每组6只,分别为SI模型对照组、缺硒模型(-Se SI)组、加硒模型(+Se SI)组,所有模型组均腹腔注射100 mg/kg CTX,正常对照组、-Se对照组、+Se对照组,对照组均注射生理盐水,注射周期为每周1次,连续6周。采用HE染色法观察各组小鼠睾丸组织形态学及病理学变化,并对附睾中精子进行计数,Western印迹试验检测GPx4和SLC7A11蛋白表达,RT-qPCR检测铁死亡相关基因变化。将GC2-spd细胞随机分为正常对照组,Ferrostatin(Fer-1)组,Erastin组,-Se组,亚硒酸钠(SeS)0.5、5.0μmol/L组,硒代蛋氨酸(SeM)5.0、50μmol/L组,SeS+Erastin组,SeS+Fer-1组,SeM+Erastin组,SeM+Fer-1组,观察GC2-spd细胞铁死亡相关蛋白和基因水平的变化。结果:CTX诱导的SI模型组小鼠睾丸和前列腺脏器指数明显低于正常对照组,生精细胞内层次减少,空洞增加,血清铁蛋白浓度下降(P<0.05),转铁蛋白浓度上升(P<0.05);+Se SI模型组、+Se对照组分别较-Se SI模型组、-Se对照组的脏器系数升高(P<0.05,P<0.01),且+Se组睾丸组织病理变化明显改善。SI模型对照组较正常对照组小鼠睾丸GPx4和SLC7A11基因表达量降低(P<0.01),而+Se SI模型组、+Se对照组分别较-Se SI模型组、-Se对照组小鼠睾丸GPx4和SLC7A11基因显著上升(P<0.01,P<0.05),但两种蛋白表达量却无明显差异。体外GC2-spd细胞实验结果显示,-Se组较正常对照组GPx4基因和GPx4蛋白水平均显著降低(P<0.05),SLC7A11基因水平下降(P<0.01);不同剂量的SeS和SeM均显著提高-Se组GPx4蛋白表达,低剂量SeM促进GPx4基因水平显著上升,高剂量SeS使SLC7A11基因和SLC7A11蛋白表达量增加(P<0.05,P<0.01)。-Se组较正常对照组,acsl4和ptgs2基因水平明显下降,SeM促进acsl4表达,SeS促进ptgs2和fth1的表达(P<0.01,P<0.05)。GC2-spd干预结果显示Erastin组较正常对照组ptgs2降低,SeS+Erastin、SeM+Erastin组较Erastin组ptgs2基因表达均增加,但Fer-1较正常对照组ptgs2表达降低,SeS+Fer-1、SeM+Fer-1组较Fer-1组ptgs2基因水平降低(P<0.05);SeM+Erastin、SeM+Fer-1组分别较Erastin、Fer-1组均GPx4的基因量增加(P<0.01,P<0.05);SeM+Erastin、SeS+Erastin较Erastin组和SeM+Fer-1、SeS+Fer-1组较Fer-1组SLC7A11均降低,且伴随着acsl4和fth1的升高(P<0.01)。结论:硒缺乏导致小鼠睾丸和精母细胞SLC7A11和GPx4基因水平降低,铁死亡相关基因表达异常,GPx4蛋白表达下降。硒促进GPx4基因和GPx4蛋白表达,提高SLC7A11基因表达量,改善生精功能损伤小鼠睾丸的精子发生,且有机硒SeM和无机硒SeS对铁死亡通路相关基因的调控存在差异。

射精球蛋白EBP在果蝇精子发生中的功能初探

射精球蛋白EBP主要由射精管释放,是果蝇精液的重要组成部分。但是,EBP的具体作用机制及其在果蝇其它生命活动中的功能仍不清楚。本文检测了果蝇Ebp和EbpII基因在不同发育阶段以及成虫精巢与卵巢中的表达水平。结果发现,Ebp和EbpII基因在成虫中的表达水平显著高于其它发育阶段的果蝇,且它们在精巢中的表达显著高于卵巢。生物信息学分析表明,EBP和EBPⅡ蛋白仅包含若干低复杂区域,不含特殊的结构域,且它们的理化性质存在差异。在精细胞中特异性敲降Ebp后,果蝇储精囊中缺乏成熟的精子,但敲降EbpII后精巢没有显著的表型变化。TUNEL实验结果显示,在精细胞和生殖干细胞中特异性敲降Ebp的表达均能引起精子束的异常凋亡。由此,推测Ebp基因参与果蝇精子发生过程,并在维持精细胞存活过程中起关键作用。

组蛋白及变体在染色质重塑中的功能:以水生动物精子发生为例

两性生殖中,精子作为携带父本信息的载体,是物种延续的关键因素。精子发生经历精原细胞、初级和次级精母细胞、圆形精子、成熟精子阶段。在圆形精子形成成熟精子过程中,染色质进行重塑,细胞形态发生剧烈变化,其中,组蛋白修饰和组蛋白变体在这些过程中发挥了重要作用:如甲基化主要与基因表达的激活或抑制有关;乙酰化激活转录活性并参与组蛋白沉积和DNA修复;磷酸化促进转录后修饰或参与DNA双链断裂修复;泛素化调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。组蛋白变体在调节染色体结构中发挥重要功能:如组蛋白H1变体在分化过程中具有抑制转录的作用;组蛋白H2A和H2B变体在精子染色质包装过程中发挥特有功能;H3.3是H3最重要的变体,在细胞周期的各时期都有表达;组蛋白H4则是进化最慢的组蛋白之一,目前还没有发现其组蛋白变体。本文围绕组蛋白翻译后修饰,梳理了甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等方面的最新进展和组蛋白变体在染色质重塑过程中的功能研究进展,随后针对各类组蛋白变体及其功能进行了总结,最后以半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)为例简要介绍这些研究对水生动物精子发生的启示。

自噬基于精子发生过程介导男性不育的研究进展

男性不育是指机体在内、外因作用下破坏正常精子产生、运输等过程,导致生育能力低下的一类疾病。精子由生精细胞经精子发生过程产生。自噬是一种重要的细胞内清除机制,通过自噬溶酶体降解受损或衰老的细胞器或蛋白质,实现细胞成分的更新及细胞稳态的维持。睾丸中生精细胞和体细胞存在稳定自噬,对维持它们的生理功能有重要意义;而当细胞受到致病因素刺激后引起自噬水平失调,出现结构损伤或功能异常,甚至死亡,干扰正常精子发生过程,从而影响男性生育能力。本文将基于精子发生过程对自噬与生精细胞、体细胞及常见致不育因素的相关研究进行综述,希望可以为男性不育的发病机制和治疗提供新的思路。

“阻滞型”精子发生障碍的遗传学及其诊疗研究进展

精子发生障碍(生精障碍)是男性不育中的疑难重症,临床发病率高,已成为严重影响我国人口生殖健康和人口安全的重大疾病。但由于生精障碍存在显著临床异质性和遗传异质性,目前尚无统一规范的临床诊疗策略与体系。本团队创新性地将生精障碍分为3种亚型:“局灶型”“阻滞型”以及“衰竭型”。其中“阻滞型”生精障碍主要由染色体异常、拷贝数变异、单核苷酸突变等遗传因素导致。本文着重评述“阻滞型”生精障碍的临床分型及遗传病因学研究现状,并结合全外显子测序等技术筛选“阻滞型”生精障碍患者,对“阻滞型”生精障碍的内分泌新辅助治疗、靶向治疗等前沿治疗方案以及结合人工智能的多元精准诊疗体系的建立进行探讨。

RNA N6-甲基腺苷(m6A)修饰相关酶在哺乳动物精子发生中的研究进展

N6-甲基腺苷(m6A)核酸修饰是近10年来研究较多的一类表观修饰,RNA通过经典m6A修饰蛋白“Writers”(METTL3/14/WTAP等)、m6A去修饰蛋白“Erasers”(FTO和ALKBH5)和m6A识别蛋白“Readers”(YTHDC1/2、YTHDF1/2/3等)组成的协同调节体系进行转录后核酸m6A修饰、去修饰和识别结合,进而调控转录本下游命运。精子发生是雄性哺乳动物性成熟和维持生育能力的重要过程,涉及生精上皮支持细胞、间质细胞和精原细胞等增殖分化和维持生精微环境过程。多项研究表明m6A调节体系参与哺乳动物精子发生进程,异常的m6A修饰水平和m6A调节体系失衡均会导致睾丸发育异常、精子发生异常和雄性不育。本文综述了精子发生过程中m6A修饰相关酶的作用,深入分析m6A差异修饰转录本之于正常精子发生的作用,对认知哺乳动物精子发生和解析临床生精障碍的分子机制具有重要意义。

Ⅳ型胶原蛋白NC1片段在精子发生及血睾屏障中作用的研究进展

在哺乳动物睾丸中,位于生精上皮基底膜附近的血睾屏障(blood-testis barrier,BTB)对精子发生至关重要。BTB由相邻的支持细胞(Sertoli细胞)连接而成,将生精上皮分为靠近基底膜的“基底室”和靠近生精小管管腔的“近腔室”,为精子发生提供了免疫屏障。Ⅳ型胶原蛋白是基底膜的重要组成成分,啮齿类动物的睾丸中Ⅳ型胶原蛋白主要是由3条α3链组成的三螺旋结构。大鼠睾丸的Ⅳ型胶原蛋白α3链C端可以水解成大小为28 ku的蛋白片段,称为C端非胶原结构域(noncollagenous domain-peptide,NC1片段)。NC1片段作为一种基底膜源性多肽在参与精子发生与维系BTB功能方面发挥了重要作用。本文通过分析、总结近期研究结果,概述Ⅳ型胶原蛋白NC1片段在睾丸中的作用及其机制,尤其是其在精子发生与BTB中作用的研究进展。

敲除基因Pabpc6对雄性小鼠精子发生的影响

目的探究小鼠细胞质多聚腺苷酸结合蛋白-6(PABPC6)在雄性小鼠精子发生中的作用。方法利用CRISPR/Cas9靶向敲除C57BL/6J小鼠基因Pabpc6,通过PCR鉴定Pabpc6的敲除情况。通过交配繁殖得到Pabpc6^(+/+)、Pabpc6^(+/-)、Pabpc6^(-/-)3种不同基因型的小鼠,进行睾丸称重、形态学观察和精子计数。RT-qPCR和Western blot检测不同组织中Pabpc6在mRNA和蛋白的表达水平;通过免疫荧光和苏木精-伊红染色观察该基因的定位以及睾丸曲细精管内部形态学变化。结果成功鉴定出敲除Pabpc6的小鼠;Pabpc6在睾丸组织中高表达(P<0.001)。免疫荧光显示该基因主要表达于精母细胞和早期精子阶段,基因敲除小鼠与野生型小鼠相比在睾丸外形、精子形态、精子数量和曲细精管内部形态上没有明显差异。结论Pabpc6在小鼠睾丸组织中高表达,敲除该基因后对雄性小鼠的精子发生无明显影响,说明该基因所编码的蛋白对于小鼠精子发生过程可能是非必需的。

生精细胞特异性敲除ARHGEF15基因对小鼠精子发生的影响

本实验旨在探究鸟苷酸交换因子15(ARHGEF15)基因在小鼠睾丸中的表达模式及其对精子发生的影响,本研究通过免疫组化和免疫荧光双染色实验检测ARHGEF15蛋白在5日龄和成年(8~9周龄)小鼠睾丸中的表达模式,并利用Cre-LoxP系统特异性敲除小鼠生精细胞内的ARHGEF15基因。结果显示:在5日龄小鼠睾丸中,ARHGEF15蛋白主要表达于精原细胞的细胞质和/或细胞膜,在成年小鼠睾丸中ARHGEF15蛋白主要定位于支持细胞的细胞核;条件性敲除(cKO)组小鼠睾丸的形态大小、组织学结构、精子的运动性能及形态与对照组相比无显著差异,且cKO组小鼠的繁育力也不受影响。因此,ARHGEF15基因主要在发育早期小鼠睾丸的生精细胞中表达,敲除生精细胞内的ARHGEF15基因不影响小鼠的繁殖能力和精子发生。

蛋白翻译后泛素化修饰在精子发生中作用机制的研究进展

泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitin-Proteasome System,UPS)是真核细胞内蛋白质降解的2种主要机制之一。在精子发生过程中许多蛋白质和细胞器被降解,UPS在促进精子形成的过程中起着关键作用。在精子发生的减数分裂、顶体生物发生和精子成熟等关键阶段,泛素相关成分(包括去泛素化酶)发挥着积极作用。一般来说,UPS功能障碍会阻止精子发生,这可能会在不同程度上诱发不育。许多UPS成分可以在不同水平上调节精子发生。本文综述了精子发生过程中泛素化修饰研究进展,为后续研究提供新的见解。

基因Cdca2敲除对小鼠精子发生和生育力无明显影响

目的探究睾丸高表达细胞分裂周期相关蛋白2基因(Cdca2)在小鼠精子发生和生育力中的生理功能。方法通过Q-PCR和Western blot检测Cdca2在小鼠不同组织部位的表达情况;利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和Cre-loxP介导的重组系统构建Cdca2组织特异性敲除的小鼠品系;通过苏木精-伊红(HE)染色和形态学分析了解小鼠CDCA2缺失对精子发生的各个阶段生精细胞形态的影响;通过精子全自动检测分析系统检测小鼠CDCA2缺失对精子活率及运动参数的影响;通过生育力测试实验检测CDCA2缺失对雄性小鼠生育能力的影响。结果Cdca2是一个睾丸高表达的基因;利用CRISPR/Cas9技术和生殖系统特异性Cre的工具鼠,成功获得了Cdca2生殖细胞特异性敲除的小鼠;小鼠CDCA2缺失对精子发生中各阶段生精细胞、精子运动参数及雄性生育能力的影响改变无统计学意义。结论基因Cdca2对于小鼠精子发生和雄性生育力的维持可能是非必需的。