小鼠卵母细胞和颗粒细胞的转录组动态与细胞对话

2024-08-13 Tue
小鼠卵泡发育中卵母细胞与颗粒细胞间的转录组动力学及细胞对话研究概述卵泡的发育与成熟是一个复杂且多阶段的过程。在此过程中，卵母细胞及其周围体细胞的动态基因表达和它们之间的对话起着关键作用。本研究通过精确分类卵母细胞和卵泡发育阶段，并分析小鼠卵母细胞及其周围颗粒细胞和积液细胞的基因表达，揭示了这些细胞在不同发育阶段的转录组变化和细胞间的对话机制。本研究由Wenju Liu、Chuan Chen、Yawei Gao、Xinyu Cui等人完成，作者来自同济大学、南京医科大学等机构，成果发表在2024年的《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》期刊上。
研究背景卵母细胞起源于原始生殖细胞，并在卵泡内发育。卵母细胞和卵泡的发育是一个多阶段的过程，通常通过卵泡的体积和包围卵母细胞的颗粒细胞层数来分类。然而，这些方法并不能精确定义卵母细胞和卵泡的发育阶段。此外，尽管在卵母细胞与体细胞对话（如通过细胞因子和生长因子介导的信号传递和允许小分子交换的缝隙连接）方面已有一定进展，但这些事件涉及的具体因素及其调控机制仍然不明确。
研究来源及作者机构本研究的主要作者包括来自同济大学的Wenju Liu、Chuan Chen、Yawei Gao、Xinyu Cui、Yuhan Zhang、Liang Gu，以及来自南京医科大学的Yuanlin He、Jing Li。该研究成果于2024年12月6日在《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》期刊上提前发布。
研究流程及实验方法详述研究流程研究共分为以下几步：
卵母细胞与颗粒细胞的收集与分类：
在卵母细胞与卵泡发育的九个阶段，分别收集卵母细胞、颗粒细胞和积液细胞。
根据卵母细胞及卵泡大小、卵泡形态进行准确分类。
RNA测序：
使用超低输入RNA测序（RNA-seq）方法测定各阶段卵母细胞、颗粒细胞和积液细胞的转录组。
高度再现性的复制结果支持转录组数据的可靠性。
转录组聚类分析和主成分分析（PCA）：
通过非监督分层聚类和PCA，展示卵母细胞和颗粒细胞在发育过程中的不同轨迹。
转录组动态分析：
对比临近发育阶段的差异表达基因（DEGs），揭示基因表达在第4阶段处发生最大变化。
使用STEM聚类分析卵母细胞和颗粒细胞基因表达的动态模式。
细胞间对话分析：
使用细胞配对配体–受体对的方法，揭示卵母细胞与颗粒细胞、积液细胞之间的通讯。
特殊实验方法为了确保卵母细胞转录组的可靠性，我们在部分RNA测序中加入了标准RNA。通过对比有无标准RNA的转录组结果，验证了基因表达模式的一致性。此外，还应用了pseudotime分析模拟基因表达的发育轨迹，进一步验证了研究结果的动态性。
主要研究结果全基因表达概况转录组聚类及差异基因表达分析：
卵母细胞和颗粒细胞在多个发育阶段显示出显著的基因表达动态变化。
基因表达在第4阶段达到峰值，随后在卵母细胞和颗粒细胞中急剧下降。
细胞对话的动态变化：
从第4阶段开始，卵母细胞与颗粒细胞间的细胞通讯变得活跃，包括单向和双向信号传递。TGF-β信号通路和Notch信号通路在颗粒细胞的发育过程中起到重要作用。
卵母细胞与体细胞间的基因表达差异通过逐对比较卵母细胞与周边体细胞的基因表达，显示出从第4阶段开始，卵母细胞与颗粒细胞间的差异表达基因数量显著增加，且高达一半以上的差异表达基因保持到后续的发育阶段。这些结果强调了第4阶段在卵母细胞与颗粒细胞发育过程中具有关键转折点的意义。
重要信号通路的参与分析发现TGF-β、Notch以及其他信号通路在调控卵泡发育中起着至关重要的作用。通过细胞通讯网络的构建，揭示了这些信号通路在卵母细胞与颗粒细胞间的复杂交互关系。
母源效应基因和印记基因的动态表达母源效应基因（maternal-effect genes）在卵子成熟和早期胚胎发育中具有重要作用。本研究发现，这些基因在卵子的第1阶段即开始明显表达，并在随后的卵泡发育过程中逐渐增加。印记基因（尤其是由DNA甲基化或H3K27me3标记的基因）在卵母细胞发育初期即被沉默，但在周围颗粒细胞和积液细胞中仍保持活跃。
研究结论及意义总结本研究得出的结论如下：
科学价值：
本研究首次全面揭示了卵母细胞与颗粒细胞在小鼠卵泡发育过程中的转录组动态变化和细胞通讯机制，提供了对卵母细胞发育和卵泡成熟的深刻理解。
应用价值：
研究中发现的新信号通路和调控因素，为未来研究提供了新的方向，并有望为卵巢功能异常和不育症的治疗提供新的思路和策略。
重要发现：
本研究中发现了多个在卵泡发育中具有重要作用的信号通路及它们的多层次细胞间交互网络，突出了第4阶段在卵母细胞与颗粒细胞发育中的关键性转折意义。
研究亮点本研究显著揭示了卵母细胞与颗粒细胞间的双向细胞对话，以及母源效应基因和印记基因在卵子和体细胞中的不同表达模式。这些发现不仅丰富了对卵泡发生的理解，也为未来在生育障碍和生殖医学领域的应用研究提供了宝贵的参考。
其他有价值的信息除了研究中揭示的新机制和通路外，本研究还提供了详细的实验方法和数据处理流程，为其他研究人员在相关领域开展进一步的实验和分析提供了有力支持。