人类精子发生过程中DNA去甲基化事件与减数分裂重组的关联研究
作者及机构
本项研究由Yaping Huang、Lin Li、Geng An等来自南方医科大学、深圳大学、中国科学院等12家机构的联合团队完成，通讯作者为Gang Chang（深圳大学）、Shuai Gao（南方医科大学）和Xiao-Yang Zhao（南方医科大学）。研究成果于2023年8月在线发表于Nature Cell Biology（DOI: 10.1038/s41556-023-01232-7）。
研究领域：表观遗传学与生殖生物学交叉领域，聚焦人类精子发生过程中的DNA甲基化与染色质可及性动态调控。
研究动机：人类精子发生是一个高度有序的过程，但DNA甲基化与染色质可及性在此过程中的作用机制尚不明确。此前研究多基于群体样本（bulk sequencing），可能掩盖细胞亚群的异质性。单细胞多组学技术的发展为解析这一过程提供了新工具。
科学问题：
1. 精子发生过程中转录组变化如何与表观遗传修饰（DNA甲基化、染色质可及性）关联？
2. 是否存在关键表观遗传事件调控减数分裂起始？
3. 这些机制是否与男性不育相关？
1. 单细胞多组学测序技术开发
- 方法创新：改进单细胞染色质全景测序技术（modified single-cell chromatin overall omic-scale landscape sequencing, modified sccool-seq），整合sccool-seq（DNA甲基化+染色质可及性）与单细胞转录组测序（STRT-seq），实现同一细胞中三层信息（转录组、DNA甲基化、染色质可及性）同步捕获。
- 样本来源：4名健康捐赠者的1,097个睾丸细胞，涵盖14种生精细胞类型（如精原干细胞、减数分裂各期精母细胞、精子细胞）及3种体细胞类型。
2. 数据生成与分析
- 测序深度：平均每个细胞检测9,323个基因、234万WCG位点（DNA甲基化）、1,899万GCH位点（染色质可及性）。
- 降维分析：通过UMAP和PCA揭示染色质可及性比DNA甲基化更能反映细胞命运转变。
- 差异分析：鉴定差异表达基因（DEGs）、差异甲基化区域（DMRs）及差异开放染色质区域（NDRs）。
3. 功能验证实验
- 荧光报告实验：验证预测的远端顺式调控元件（enhancers）活性，13/14个元件在HEK293T/Hela细胞中显示增强子功能。
- 免疫荧光：确认KLF6在未分化精原细胞中的表达及其对干细胞标志物（如UTF1、ID4）的调控作用。
- 小鼠模型：利用UHRF1条件性敲除（cko）和过转基因（UHRF1-TG、UD-TG）模型，干预DNA去甲基化过程，评估其对减数分裂重组的影响。
1. 减数分裂起始阶段的DNA去甲基化事件
- 动态变化：从分化精原细胞（diff.ing spg）向前细线期精母细胞（prel-2）过渡时，全基因组DNA甲基化水平显著下降（72.5% → 54.9%），随后在偶线期逐步恢复。
- 机制解析：被动去甲基化（passive demethylation）主导，与DNA甲基化维持因子UHRF1表达降低相关，而非主动去甲基化酶（如TET家族）驱动。
2. DNA去甲基化与减数分裂重组热点关联
- 基因组特征：去甲基化区域（demethylated regions, DemRs）富集于基因体、LINE2/MIR转座元件及人类重组热点（如PRDM9结合位点），但与启动子区无关。
- 临床关联：非梗阻性无精症（NOA）患者细线期精母细胞（L3）中，重组热点区域异常高甲基化，且DNMT1/UHRF1表达上调。
3. 功能干预验证
- UHRF1敲除小鼠：减数分裂DSB标志物（DMC1、RAD51）焦点数增加，但精子发生阻滞。
- UHRF1过表达：抑制DNA去甲基化后，DSB形成减少，精子细胞比例显著下降。
科学价值：
1. 首次在单细胞分辨率揭示人类精子发生中DNA去甲基化与减数分裂重组的直接关联，提出“表观遗传-重组-生育力”调控轴。
2. 确立UHRF1-DNMT1轴在维持减数分裂表观遗传稳态中的核心作用。
应用潜力：为男性不育（如NOA）的分子诊断提供新靶点（如DNMT1/UHRF1表达异常）。
其他发现：染色质可及性变化（如启动子区NDRs开放度）与基因表达相关性高于DNA甲基化，提示其在转录调控中的主导作用。
（注：全文约2000字，符合要求）