性原细胞向精原干细胞发育过程的分子调控研究

Spermatogonial stem cells (SSCs) provide foundation for continued spermatogenesis. SSC fate decisions are tightly controlled by the niche and germ cell intrinsic factors. Over the last decade, several crucial molecular mechanisms that govern SSC maintenance or differentiation have been identified. However, how the foundational SSC pool is established from the gonocyte population and how this dynamic process is controlled remain largely unexplored. The long term goal of this proposal is to decipher the regulatory network essential for the gonocyte to SSC transition. Our preliminary data uncovered an indispensible role of tumor suppressor retinoblastoma protein (Rb1) in acquisition of gonocyte cell cycle arrest and spermatogonial pool formation. Based on these findings, to better understand the essential factors promoting gonocyte development and transition to a postnatal spermatogonial state, we propose to pursue the follwing specific aims: 1）to dissect the molecular mechanism by which Rb1 directs timing of gonocyte cell cycle arrest in fetal period and apoptosis in neonatal period of development; 2) to discover the germ cell intrinsic factors that play key roles in drive cell cycle progression, migration and differentiation; 3） to determine the function of somatic cell derived factors in gonocyte fate determination. Successfully achievement the specific goals will enhance our understanding of male germ cell development and findings of the proposed research will help the development of diagnostic tools and therapeutic strategies for treating male infertility.

精原干细胞是精子发生的基础，其自我更新和分化受微环境和内源因子的严格调控。近10年来，国内外在研究精原干细胞维持和分化的调控机理方面，取得了重要进展；然而，由于技术制约，我们对精原干细胞的形成过程，尤其是性原细胞向精原干细胞的过渡以及调控此重要发育事件的分子机制知之甚少。申请人的预实验发现，在原始生殖细胞特异敲除肿瘤抑制蛋白Rb1不影响生殖细胞迁移和性原细胞形成，但会造成性原细胞不能向精原细胞过渡。为深入解析性原细胞周期变化﹑凋亡和向精原细胞分化过程的内外源调控机制，本课题拟进行以下三个方面的研究：1）Rb1控制性原细胞周期阻断延迟和细胞凋亡的分子通路；2）性原细胞向精原干细胞发育的分子调控过程；3）体细胞分泌因子在控制Rb1功能和性原细胞发育中的作用。完成本研究项目将增加我们对生殖细胞基础生物学的理解，为男性不育症﹑生殖细胞肿瘤治疗和抗生育方法的开发提供理论和技术支持。

精原干细胞是维持精子持续发生的基础，其自我更新和分化受所处微环境和内源因子的严格调控。近年来，国内外在研究精原干细胞维持和分化的调控机理方面取得了重要进展，但对于精原干细胞的形成过程知之甚少。本研究首先利用支持细胞特异去除模型发现，支持细胞调节性原细胞发育的三个关键步骤:有丝分裂的进入、有丝分裂向减数分裂过渡的抑制和有丝分裂细胞周期的重新进入，随后对不同发育阶段的支持细胞进行转录组和蛋白组学分析，以筛选影响性原细胞命运决定的关键支持细胞源外源因子。通过转录组分析，选择了支持细胞高表达基因Wtap和Lhda,并开展了敲除试验。结果表明Wtap介导的RNA修饰在支持细胞中发挥关键作用，支持细胞特异性敲除Wtap导致精原干细胞丢失，而支持细胞特异敲除Lhda可导致乳酸代谢异常和精子运动能力减弱。除了探究外源因子对性原细胞向精原干细胞转变的影响，我们重点研究了细胞周期调控因子Rb1对性原细胞命运的影响，发现Rb1调控性原细胞进入静止期，并影响出生后性原细胞向精原干细胞过渡时性原细胞的存活。为了探究Rb1调控此过程的机制，我们分别在生殖细胞中敲除Rb1在调控细胞周期中的互作蛋白E4f1，过表达 Id2蛋白。结果表明，Rb1调控性原细胞细胞周期并不依赖于这两个蛋白。但有趣的时，E4f1敲除表明E4f1通过调节细胞周期和能量代谢调控精原细胞发育，为精原细胞发育过程中伴随着能量代谢从糖酵解向氧化磷酸化转变提供了佐证。而Id2过表达实验结果表明，Id2蛋白调控出生后性原细胞转变为精原干细胞所必须经历的细胞周期从静止期重新进入细胞周期的过程。.上述不仅阐述了外源支持细胞调控性原细胞向精原细胞转变的功能和机制，而且揭示了调控精原干细胞库形成的关键过程的3个内源性因子和2个支持细胞源因子，为我们理解精原干细胞的发育和提供了重要信息。正式发表SCI论文2篇，返修2篇（其中1篇Stem Cell Reports已修回），完成投稿1篇，均为第一标注。