精子作为有性生殖过程中的雄性细胞，过去被认为仅能为后代提供单倍体遗传物质 （DNA） 。随着近些年研究的不断深入，科学家发现精子细胞可以通过携带RNA来介导表观遗传【1】，尽管与卵细胞相比，精子所携带的RNA分子相对较少。有研究表明，精子携带的小RNA诸如miRNA和tRNA可以影响后代的表型【2,3】，然而迄今为止，人们对精子细胞中的长RNA （>200 nt） 研究十分有限。科研界普遍认为，精子发育后期翻译过程会停止，核糖体伴随残余体 （residual body） 被去除，而剩余的RNA仅为残留降解物，但近期研究表明经RNA酶处理的精子RNA会丧失介导表观遗传的能力，暗示了精子细胞中RNA的功能可能依赖其完整性【4】，但目前尚未有对精子细胞中完整RNA的系统报道。
2021年3月1日，美国罗切斯特大学李鑫团队与爱荷华大学 （现俄亥俄州立大学）区健辉团队在Nature Communications杂志合作发表题为Single-molecule long-read sequencing reveals a conserved intact long RNA profile in sperm的研究论文，首次利用三代测序揭示精子细胞中的完整RNA图谱，填补了该领域研究的空白。
由于传统的二代测序技术不能区分完整的RNA和降解的RNA，本研究中，作者通过PacBio Iso-Seq三代测序技术捕获了小鼠精子细胞中的全长转录本，同时利用CAGE-Seq和PAS-Seq准确定义了RNA的转录起始与polyA信号位置。作者利用自主开发的生信分析流程（图1）定义了小鼠中来自1624个基因的共计3440种精子全长RNA转录本 （sperm intact RNA, spiRNA） 。其中，2479种spiRNA是与现有RefSeq基因注释不同的新转录本，相比于可变剪切与可变转录起始位点，这些新转录本主要由可变polyA信号引起。同时，本研究还鉴定了198条来自新注释基因的spiRNA，7条来自基因反义链的spiRNA，特别还发现了1条由相邻两个基因融合而成的spiRNA。这些spiRNA也能很好地被另一种三代测序技术——纳米孔测序 （Oxford Nanopore Technologies） 结果支持。研究还揭示，与精巢中的全长RNA相比，精子更倾向携带较短的RNA。
图1 构建全长转录组的生信分析流程
进一步研究表明，小鼠spiRNA包含2343条mRNA以及1097条lncRNA。此前未被注释的198条spiRNA也包含了78条mRNA和120条lncRNA，且Ribo-seq数据分析表明这些mRNA在精巢中能被广泛翻译。此外，本研究还鉴定了人类精子细胞中4100种spiRNA，发现编码核糖体蛋白的基因在这些spiRNA中被显著富集，且在人和小鼠中高度保守。该研究首次系统揭示了精子细胞中存在全长RNA，对RNA介导的表观遗传这一前沿领域起到了推动作用。
该研究的共同第一作者为美国罗切斯特大学博士研究生孙禹和爱荷华大学 （现哥伦比亚大学）王安琪博士。美国俄亥俄州立大学宋驰博士等也参与了该项研究。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21524-6
制版人：十一
参考文献
[1] Ostermeier, G. Charles, et al. "Delivering spermatozoan RNA to the oocyte."Nature429.6988 (2004): 154-154.
[2] Rodgers, Ali B., et al. "Transgenerational epigenetic programming via sperm microRNA recapitulates effects of paternal stress."Proceedings of the National Academy of Sciences112.44 (2015): 13699-13704.
[3] Sharma, Upasna, et al. "Biogenesis and function of tRNA fragments during sperm maturation and fertilization in mammals."Science351.6271 (2016): 391-396.
[4] Gapp, Katharina, et al. "Alterations in sperm long RNA contribute to the epigenetic inheritance of the effects of postnatal trauma."Molecular psychiatry25.9 (2020): 2162-2174.