精子发生和精子功能需要在生殖细胞系中正确建立DNA甲基化模式。
德国明斯特大学生殖与再生生物学研究所生殖医学中心Sandra Laurentino团队分析了人类精子发生（spermatogenesis）过程中的全基因组DNA甲基化变化以及在精子发生障碍时的变化。分析结果表明精子发生与甲基化重塑有关，包括初级精母细胞中DNA甲基化的整体下降，然后选择性再甲基化，最终形成精子细胞/精子特异性甲基化组。精子细胞/精子中的低甲基化区域在 DMRT 和SOX 家族成员以及精子细胞特异性基因的特异性转录因子结合位点中富集。虽然SINEs（短散在元件）在精子发生过程中表现出不同的甲基化模式，但LINEs（长散在元件）的DNA甲基化未发生变化。在精子发生障碍中，生殖细胞表现出相当大的DNA甲基化变化，这些变化在参与精子发生的转座元件和基因中显著富集。且在精子发生障碍中检测到SVA和L1HS的低甲基化，表明这些区域的异常编程与生殖细胞减数分裂后进展的失败有关。
相关研究成果于2024年5月11日以“Genome-wide DNA methylation changes in human spermatogenesis”为题发表在《The American Journal of Human Genetics》（IF 9.8 / 1区）期刊上。
Introduction
越来越多证据表明，雄性生殖细胞甲基化模式建立不仅仅局限于胚胎发育阶段，在成年期精子发生过程中继续存在。特别是在减数分裂的早期阶段，当复制和重组发生时，基因组会发生低甲基化。这一事件在小鼠和人类之间高度保守，并被假设是DNA甲基化维持延迟的结果。尽管如此，关于人类精子发生过程中的DNA甲基化水平变化是否会影响精子发生和精子功能，目前了解的信息还有限。
表观遗传重塑，包括甲基化重编程，在哺乳动物的细胞命运决定中至关重要。最近已经证明，参与DNA甲基化机制的酶功能受损会导致精子发生过程中的一系列干扰，包括完全不育。在大多数严重男性不育病例中，精子产量大幅减少，病因不明。隐匿精子症（cryptozoospermia，CZ）特征是经历减数分裂的生殖细胞急剧减少，以及最未分化的精原细胞积累。此前研究报告了CZ男性的大量生殖细胞中存在DNA甲基化异常，因此假设DNA甲基化异常可能是潜在原因。然而不同类型的生殖细胞携带DNA甲基化变化程度、受影响的基因组区域、以及它们在减数分裂后生殖细胞减少中的参与程度仍有待评估。
尤其在减数分裂过程中，基因组在很大程度上依赖于转座元件（TEs）抑制，且通常通过表观遗传机制实现，如基因沉默组蛋白修饰、piwi互作RNA（piRNA）机制和DNA甲基化。因此抑制如LINE/SINE这样的TEs，对于维持生殖细胞基因组的完整性至关重要，当缺失时可能会导致小鼠不育。转座元件的甲基化差异或TEs沉默通路的功能障碍与男性不育相关。DNA甲基化在精子发生过程中对不同TEs的保护作用及其与男性不育的关系，特别是在减数分裂的低甲基化时期，仍有待阐明。
通过对人类男性生殖细胞亚群进行全甲基化分析表明人类精子发生与甲基化的表观遗传重塑有关。初级精母细胞中DNA甲基化整体下降后，精子细胞/精子中特定区域的选择性再甲基化，表明低甲基化的初级精母细胞基因组不仅仅是DNA复制的暂时副作用，而是建立精子细胞/精子特异性甲基化所必需。研究在男性不育生殖细胞中检测到DNA甲基化的显著差异，尤其在基因间区域和TEs中，并证实了不同TEs在精子发生过程中被差异性地重编程。本研究增加了当前对人类精子发生过程中DNA甲基化变化作用的证据，并指出DNA甲基化变化和精子发生失败（生精失败）之间的关联。
结果图形
（1）初级精母细胞表现出全基因组DNA甲基化水平降低
图1：初级精母细胞表现出全基因组DNA甲基化水平降低（A） 从精子发生正常样本的生殖细胞中检索全基因组甲基组数据示意图（对照，CTR）。CpG是指通过酶促甲基测序（EM-seq）在所有生殖细胞组分中捕获的平均CpG数（n=12）。（B） 线图描绘了与公布的血液和精子样本相比，每个CTR样本和生殖细胞类型的50个印迹对照区（ICR）中的甲基化。（C） 方框图显示平均全基因组DNA甲基化水平。统计检验：ANOVA检验，然后是Tukey-HSD检验：与所有其他生殖细胞相比，***4C <0.001。数据表示为中位数（中心线）、上/下四分位数（框限）、1.5×四分位数间距（须）。（D） 线图显示在转录起始位点（TSS）和转录终止位点（TES）上游和下游50个区间（bin）和5kb的genebody中每组的平均甲基化水平。（E） 小提琴图代表不同基因组区室中甲基化CpG。Undiff：未分化的精原细胞；Diff：精原细胞分化；4C：初级精母细胞；1C，精子细胞/精子。
（2）精子发生过程中的DMR在SINE重复序列中富集
图2：精子发生过程中DMRs在SINE重复序列中的富集情况。A. 热图显示所有生殖细胞类型比较的差异甲基化区域（DMRs）的甲基化值和CpG位点数量。B. DMRs与基因和启动子相关。C. 不同组比较中每个DMR的CpG数量频率。D. 小提琴图描述每个组比较中DMR宽度分布。E. 不同组比较中DMRs的重叠（100%）。独有DMRs由点表示，重叠DMRs通过连接节点显示。F. 每条染色体上的DMRs分布，按染色体大小（bp）缩放，并在一组内按其总数归一化。G. 对一般基因组特征和基因组重复序列的DMRs进行富集。
（3）精子细胞/精子中的低甲基化区域在TF结合位点富集
图3：精子细胞/精子中的低甲基化区域在特定的TF结合位点富集A. 描述了HOMER鉴定的已知motif的富集序列。对所有DMR比较进行HOMER分析，并显示显著结果（p<0.01，FDR<0.05）。B. 点图显示在用HOMER鉴定的DMR中具有富集motif的前三个转录因子（TF）的平均单细胞表达16。SPC，精母细胞；SPD，精子细胞。
（4）DMR相关基因的生殖细胞类型特异性表达
图4：精子/精子细胞甲基化组中的低甲基化区域标记精子细胞的特异性基因。A. 低甲基化差异甲基化区域（DMR）相关基因的单细胞表达情况，这些基因在精子细胞中有特异性表达，以及高甲基化DMR相关基因在未分化精原细胞中的特异性表达。表明在未分化精原细胞与1C（精子/精子细胞）DMRs之间存在差异。B. AGPAT3位点DMR甲基化示例，该位点在未分化（Undiff）和分化（Diff）精原细胞中呈现高甲基化，在4C（初级精母细胞）和1C（精子/精子细胞）中呈现低甲基化，并且在精子细胞（SPD）中特异性表达。此外，还展示了人类精子中H3K36me3组蛋白修饰数据（GSE40195）。Undiff：未分化精原细胞；Diff：分化精原细胞；4C：初级精母细胞；1C：精子/精子细胞；SPC：精母细胞；SPD：精子细胞
（5）精子发生障碍时转座元件（TEs）和精子发生基因的甲基化变化
图5：精子发生障碍时转座元件（TEs）和精子发生基因的甲基化变化。A. 从精子发生障碍（CZ，隐匿精子症）样本中检索生殖细胞的全基因组甲基组数据示意图。B. 对照组（CTR）和隐匿精子症患者（CZ）中不同细胞类型比例箱形图。C. 对照组和隐匿精子症患者相同细胞类型（Undiff vs. Undiff；Diff vs. Diff；4C vs. 4C）的差异甲基化区域（DMRs）的甲基化值热图。D. CTR/CZ DMRs在染色体上的分布，按染色体大小（bp）缩放，并在一组内按其总数归一化。E. CTR/CZ DMRs在功能通用基因组区域和基因组重复序列中的富集情况。F. 对照组和隐匿精子症患者生殖细胞中进化上较年轻的（白色框：L1Hs、L1PA2-5和SVA_D/F）和较老的（灰色框：HERVH-int和L1M7）转座元件（TEs）的CpG甲基化小提琴图。CTR：对照组；CZ：隐匿精子症患者；Undiff：未分化精原细胞；Diff：分化精原细胞；4C：初级精母细胞；1C：精子/精子细胞
参考文献：Siebert-Kusset al., Genome-wide DNA methylation changes in human spermatogenesis, TheAmerican Journal of Human Genetics (2024),https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2024.04.017.
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