哺乳動物精子發(fā)生是個高度復雜的細胞分化過程，涉及精原細胞增殖、精母細胞減數(shù)分裂和精子變形等發(fā)育關鍵事件。生殖細胞在各階段的命運轉換受體細胞的精密調(diào)控。睪丸間質細胞（Leydig cell）是分布于曲精小管間質區(qū)的一類特殊體細胞。這類細胞的核心功能是通過分泌雄性激素睪酮，維持睪丸結構和微環(huán)境的穩(wěn)定。間質細胞功能障礙可直接導致動物性腺發(fā)育障礙、不育以及雄激素依賴的器官病變。目前，間質細胞類固醇合成中起核心作用的基因和通路已經(jīng)明確，但調(diào)控其發(fā)育的重要轉錄因子依然需要深入挖掘鑒定。

中國科學院西北高原生物研究所動物生態(tài)與資源保護研究團隊通過對睪丸單細胞轉錄組數(shù)據(jù)的挖掘，發(fā)現(xiàn)轉錄因子PBX1（Pre-B-cell leukemia homeobox transcription factor 1)在睪丸間質細胞和管周肌樣細胞中特異表達。為研究該轉錄因子的功能，研究團隊利用Cre-Loxp系統(tǒng)制備了Pbx1間質細胞特異性敲除小鼠模型（以下簡稱敲除小鼠）。通過不育試驗和形態(tài)學分析發(fā)現(xiàn)，成年敲除小鼠完全不育，曲精小管結構嚴重受損，生精細胞擴散至間質區(qū)域。曲精小管結構的損壞導致睪丸微環(huán)境發(fā)生改變，從而對精母細胞減數(shù)分裂及其后期細胞的發(fā)育造成顯著影響。透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠間質細胞內(nèi)脂滴數(shù)量增多但直徑縮小，表明該轉錄因子在類固醇激素合成中可能發(fā)揮重要作用。激素測定結果表明，PBX1功能缺失導致睪酮激素濃度顯著下降，同時伴隨著孕烯醇酮、雄烯二酮和促黃體生成素水平的顯著上升。間質細胞單細胞轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，和對照相比，Pbx1缺失導致不同類型的間質細胞比例發(fā)生改變，比如成年間質細胞比例增加了21.85%。更為重要的是，Pbx1缺失導致334個基因表達發(fā)生顯著改變，其中90.12%的差異基因表達下調(diào)，這些基因富集在膽固醇代謝、類固醇激素合成、脂質代謝等通路。結合單細胞和染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）數(shù)據(jù)等，發(fā)現(xiàn)PBX1可直接調(diào)控Nr2f2、Prlr、Nedd4等類固醇合成相關基因的表達。由于敲除小鼠睪酮水平顯著降低而該激素是維持睪丸微環(huán)境的關鍵激素，研究團隊通過對成年敲除小鼠補充外源睪酮開展了表型挽救實驗，結果顯示，雖然補充外源睪酮可以恢復敲除小鼠睪酮水平，但依舊存在顯著的生精缺陷。以上結果表明PBX1在調(diào)控間質細胞發(fā)育和類固醇激素的合成過程中發(fā)揮著重要作用。研究結果為深入解析間質細胞命運決定、睪丸發(fā)育不全和間質細胞激素分泌的分子調(diào)控提供了重要數(shù)據(jù)。

相關研究結果以?Loss of PBX1 function in Leydig cells causes testicular dysgenesis and male sterility 為題，于5月10日在?Cellular and Molecular Life Sciences?期刊（生物學2區(qū)TOP期刊，IF 8.0）在線發(fā)表。西北高原所博士研究生王菲晨為第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金（31771656和31571539），青海省自然科學基金（2020-ZJ-902）等項目的資助與支持。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-024-05249-5

論文模式圖：轉錄因子PBX1在間質細胞發(fā)育和睪酮分泌中發(fā)揮關鍵作用

論文代表圖：A：轉錄因子PBX1在小鼠間質細胞表達；B：間質細胞特異性敲除Pbx1導致曲精小管結構完整性受損；C：Pbx1敲除導致間質細胞基因表達異常；D: Pbx1敲除導致不同類型間質細胞比例異常；E：ChIP-seq結果顯示PBX1和Nr2f、Prlp、Nedd4等類固醇合成關鍵基因的啟動子區(qū)結合；F：Nr2f、Prlp、Kit蛋白在Pbx1敲除間質細胞的表達水平低于對照；G：Pbx1敲除小鼠睪酮水平顯著降低。