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人类卵泡发育过程基因表达调控规律

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人类卵泡发育过程基因表达调控规律

发布日期:2018-12-03 作者: 点击:


生殖细胞是个体发育过程中一类特殊的细胞,是种族繁衍的载体。近年来,乔杰课题组及合作者围绕生殖细胞的发生、发育与成熟进行了系统的研究,揭示了人类胎儿生殖细胞发生、育龄男性精子成熟等多个关键发育阶段的基因组特征、DNA甲基化重编程及其对基因表达的调控关系(Cell 2013,2015; Cell Stem Cell 2017,2018),此成果主要是针对育龄女性卵泡发育和成熟过程所开展的研究工作。

由于环境与生活方式改变、生育年龄后延以及癌症治疗等诸多因素,近年来女性生育力明显下降,我国不孕不育率已高达15%-20%,其中女性原因约占50%。排卵及卵成熟异常、卵巢功能低下等卵巢功能障碍是导致女性不孕的重要原因,人类卵母细胞体外成熟、卵泡体外培养体系等生育力保护保存技术还面临很多难题。卵泡是维持女性卵巢功能的基本单元,而卵泡正常发育与成熟的分子机制尚未阐明,导致临床上缺乏诊疗卵巢功能障碍的有效手段和保护生育力的有效措施。

胎儿期卵泡发生和青春期后卵泡发育是女性卵泡发育的两个重要阶段,前者与卵巢储备密切相关,后者与受精、生育关系紧密。女性在胎儿期20周时,卵泡数量高达数百万,但是在整个生育周期仅有400个左右发育为成熟的卵泡、排卵,99.9%的卵泡发生闭锁和丢失。因此,卵泡发生、发育与成熟的分子机制的探讨对认识女性生育力维持与改善至关重要。小鼠卵泡发育的基因调控网络研究已有多篇报道,人类与啮齿类动物的卵泡发育时程与排卵模式都有种属差异,所以研究人类卵泡发育对于揭示女性生育力建立、维持与下降机制具有重要的意义。既往人类卵泡研究主要将卵巢组织或多个卵泡作为整体进行研究,而不同卵泡异质性较大,不能体现卵母细胞与其周围颗粒细胞各自功能与相互作用机制。因此,需要从单个卵泡水平分别揭示卵母细胞与颗粒细胞基因表达特征及相互作用信号通路。

2018年11月21日,北京大学第三医院乔杰院士团队在Molecular  Cell发表题为Transcriptome Landscape of Human Folliculogenesis Reveals Oocytes and Granulosa Cells Interactions(人类卵泡发育过程转录调控及卵母细胞与颗粒细胞的相互作用)的研究论文,系统解析了人类卵泡发育过程中转录组动态全景图及卵母细胞-颗粒细胞相互作用的基因表达调控规律。这是该团队在人类生殖细胞发育研究领域里取得的又一重要进展。

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本研究中,课题组利用机械法和酶消化法处理人类卵巢组织并分离得到发育各阶段的单个卵泡(原始卵泡、初级卵泡、次级卵泡、窦卵泡、排卵前卵泡),进一步消化得到单个卵母细胞和颗粒细胞,进行转录组测序,绘制了人类卵泡发育过程中转录组动态全景图并解析了卵母细胞-颗粒细胞互作规律。同时进行了小鼠与人类卵母细胞转录组数据对比分析,发现了参与调控卵泡发育的保守性和物种特异性基因(图1)。

基因表达定量

图1 人卵泡发育过程基因表达调控

通过此项研究,研究人员发现:

(1)转录组显示卵泡可聚为五个类群,原始卵泡、初级卵泡、次级卵泡、窦卵泡及排卵前卵泡,并与卵泡形态学分类一致。卵母细胞及颗粒细胞各自差异基因表达定量模式具有显著的发育阶段特征。随着卵泡发育,卵母细胞减数分裂相关基因表达水平总体呈逐步上调趋势。而颗粒细胞有丝分裂相关基因表达水平从原始卵泡到窦卵泡阶段总体呈逐步上调趋势,而从窦卵泡到排卵前卵泡阶段表达下调。

(2)卵泡发育过程卵母细胞与颗粒细胞存在阶段特异表达基因。这些筛选出的阶段特异性表达基因可作为每个阶段卵母细胞与颗粒细胞的潜在特异性标志物,有助于建立临床上评价卵泡发育的客观标准,为准确预测卵巢储备、监测生育力水平、筛选卵母细胞成熟的标志物提供了线索。

(3)卵泡激活的关键步骤是原始卵泡到初级卵泡的转变。本研究提示Insulin、GnRH、Neurotrophin和mTOR信号通路相关基因在初级卵泡中卵母细胞及颗粒细胞中均显著上调,可能参与原始卵泡阶段到初级卵泡阶段的激活调控,是完善体外卵泡培养体系的潜在靶点。

(4) 阐述人类卵泡发育过程卵母细胞与颗粒细胞的相互作用机制。研究发现NOTCH信号通路配体DLL3和JAG2主要在卵母细胞中表达,其受体NOTCH 2、NOTCH 3和下游靶基因HES1在相应的颗粒细胞中高表达,提示NOTCH信号介导了卵母细胞调控颗粒细胞增殖和分化的事件。

(5) 揭示了在人与小鼠卵泡发育过程中基因表达具有保守性和特异性。研究发现在人和小鼠卵母细胞中有8838个共表达基因(5923个基因为管家基因)。在非管家基因中,1557个基因在人不同阶段的卵母细胞中稳定表达,1358个基因具阶段特异性。进一步发现,人和小鼠卵母细胞发育过程中,POUF5、GJC1、TEAD2及BMP15等基因具有不同的表达模式,显示出人和小鼠的差异;HAS3、HTR5A、SNPH及NRAP等基因在具有相同的表达模式,显示出人和小鼠具有一定的保守性。

综上,该研究绘制了人类卵泡发育过程的单细胞转录组图谱,揭示了卵母细胞及颗粒细胞的转录组动态变化,阐释不同发育阶段卵母细胞与颗粒细胞转录组特征及互作规律,为寻找新的促进体外卵泡发育及卵母细胞成熟的方法奠定了基础。同时该研究有助于开发生育力下降早期监测的分子标记、改进r生育力保护保存临床治疗方案,提高优生优育水平。


据悉,北京大学第三医院乔杰教授、严杰副研究员与闫丽盈研究员为论文共同通讯作者。北京大学第三医院张曜耀博士、北大清华生命科学联合中心博士研究生严智强以及北京大学第三医院硕士研究生覃清圆为并列第一作者。


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关键词:基因表达定量,基因表达调控,表观组学技术服务

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