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Nature丨大规模人类精子单细胞测序揭示精子基因组减数分裂的变异特征

正如电影《阿甘正传》所说:“生活就像一盒巧克力,你永远不知道你会得到什么。”

这句话同样适用于人类遗传学。当人体通过减数分裂的特殊细胞分裂方式形成精子或卵细胞时,DNA就会以似乎无限且无法预测的组合进行混合和匹配。当独一无二的精子和卵细胞相遇时,就孕育出了与父母任何一方都不一样的孩子。而在减数分裂的过程中,如果一对染色体没有发生交叉(crossovers),将会带来非常严重的后果。错误的交叉会导致细胞拥有过多或过少的染色体,也就是非整倍性。由于非整倍性会导致不孕、流产和唐氏综合症之类的异常状况,因此探索染色体交叉如何调节是了解人类生殖和改善生殖健康的关键课题之一

近日,一项由哈佛医学院生物医学和遗传学教授Steven McCarroll领导发表于《自然》(Nature)杂志的大规模精子单细胞测序成果为这一基本过程提供了新的见解。

既往大多数研究依赖于家系的基因分型数据或对染色体直接可视化来研究减数分裂。此外,尽管不孕可能由父母任何一方导致,但治疗往往侧重于卵细胞方面。这在一定程度上是因为卵细胞的非整倍性通常较精子要高出很多,而且除了精子的数量和活动力之外,很难对精子进行更深入的评估。事实上,精子遗传学对不孕和流产的影响还相对缺乏研究该论文第一作者Avery Davis Bell表示:“我们的目的是获得人类不育和生殖健康中‘男性因素’的基线,也就是非整倍性在精子中发生的频率。”

为了研究减数分裂的各个过程以及它们如何在染色体、配子和人类之间发生变化,研究人员开发了一种名为“Sperm-seq”的新型全基因组测序工具,能够同时对成千上万个单精子基因组进行并行分析。由于精子基因组被紧密压缩,研究人员的Sperm-seq方法必须首先使其易于接近。为此,研究人员使用类似于卵细胞酶的试剂进行了相关操作来使精子原核去致密性。随后,研究人员将产生的精子DNA碎片包裹在带有磁珠的液滴中,这些液滴将DNA条形码添加到精子DNA中。在此过程中,研究人员采用了三种技术:Drop-seq、10x Genomics Chromium Single Cell DNA和10x Genomics GemCode。同时,他们开发并调整了计算工具,用于确定染色体时期、倍性并发现交叉事件。

利用这种方法,研究人员对来自20个精子供体的31,228个人精子基因组进行了分析,确定了813,122个交叉点和787个非整倍染色体。研究人员发现,人与人之间非整倍性精子的数量从1%到5%不等,平均为2.5%,这与以前使用显微镜观察的结果相符。分析还显示,除了简单的非整倍性外,单个精子还存在许多其他类型的遗传异常。研究人员进一步发现,在不同的精子细胞和不同的个体之间,交叉细胞的数量、位置和间隔都是不同的。具有高全局交叉率的个体在平均每个染色体上也具有更多的交叉。在不同供体间,这些交叉事件也倾向于发生的相似位点,特别是在染色体的远端区域中。交叉也发生在接近着丝粒的地方,但因人而异,重组率较高的个体在其附近有更多的交换。研究人员指出,交叉点位置和交叉点间距的这种差异可能反映了因人而异的潜在生物学因素。

除此之外,染色体间和个体间在减数分裂的不同阶段,非整倍体发生的频率也不同。研究人员指出,交叉部分保护染色体免受减数分裂I期细胞分裂时的非分离作用。在减数分裂I期,某些染色体和供体进行频繁的非分离,而另一些染色体在减数分裂II期分离失败的次数更多。在该研究中,减数分裂I期性染色体受错误影响的可能性是减数分裂I期I的2.2倍,而常染色体受减数分裂II期的影响的可能性是减数分裂I期的两倍。

精子基因组分析还揭示出许多基因组异常,其无法通过简单的非分离来解释。从交叉速率到交叉位置和分离、一种交叉干扰的量度、不同的重组表型在个体和细胞之间变化很大。研究人员指出,不同染色体、细胞和个体之间的减数分裂表型的变化似乎是由潜在的可遗传生物学因素引起的。最后,研究人员将该研究结果与早期的研究结果整合为一个统一的模型,即核心机制、减数分裂染色体的可变物理收缩会在不同的减数分裂表型中产生个体以及细胞间的差异。研究人员在论文中写道,根据其模型,这些基因座上的遗传变异可能会使减数分裂染色体的压缩程度发生变化;通过对同一供体的不同细胞进行研究,其发现变异的容忍性很好,可兼容各种成功的减数分裂结果。

“每个精子的基因组都详细讲述了一个关于人类遗传的‘故事’——哪些进展顺利,哪些出现了问题以及哪些与其他精子不同。”Steven McCarroll表示,“总的来说,成千上万个这样的‘故事’使我们对减数分裂过程及其脆弱性有了更多了解。”据悉,Steven McCarroll实验室已免费共享了Sperm-seq方案,以促进遗传学研究。

参考资料:

1. Bell, A.D., Mello, C.J., Nemesh, J. et al. Insights into variation in meiosis from 31,228 human sperm genomes. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2347-0

2. Split Ends:New studies show how DNA crossovers can drive healthy, abnormal sperm, egg cell division

https://hms.harvard.edu/news/split-ends

3. Sperm Single-Cell Sequencing Study Offers Insight Into Meiotic Variation

https://www.genomeweb.com/sequencing/sperm-single-cell-sequencing-study-offers-insight-meiotic-variation#.XtkG5Hot1PY

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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