哺乳动物早期胚胎发生中性别偏向基因表达的比较发育基因组学

维多利亚·理查森，张凯，诺拉·恩格尔，罗伯·J·库拉蒂纳尔

预印本发布于2022年3月19日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.17.484606v1

胚胎发生早期的性别偏向基因表达:在性别分化开始之前，是否存在性别特异性发育差异?

选择卡莉Guiltinan

背景

性别分化是雄性或雌性性器官从中性胚胎结构发育而来的一系列依赖事件。在此之前，胚胎在表型上不分性别，具有所谓的“双潜能”性腺，这种性腺有可能根据外部线索发展成两性的结构。性别决定为性别分化奠定了基础，它取决于遗传性别:男性的Y染色体含有一种基因，这种基因会引发一系列事件，导致女性结构的退化和男性生殖系统的发展。在XX个体中，这种基因的缺失使得雌性生殖结构得以持续并进一步发展。性别分化在小鼠胚胎期(E) 11.5日和6^th人类胚胎发育的一周。在此之前，人们普遍认为，除了女性的x染色体失活以外，男性和女性胚胎在转录组上是相似的，其功能是平衡x剂量与男性(XY)。这些差异在性别特异性性腺形成之前就已经出现了，在女性细胞的植入前发育过程中出现了两波x染色体失活。

单细胞rna测序(scRNA-seq)可以量化组成样本的单个细胞的基因表达，因此是研究整个发育过程中细胞群体动态的一个有用工具。利用公开数据的scRNA-seq的科学文章越来越普遍，这为其他科学家利用相同的数据集回答更多的问题提供了一个令人兴奋的机会。

目标

在这篇预印本中，作者探讨了在胚胎发育早期产生的性染色体连锁基因和表观遗传因素的差异是否会在性别分化开始之前对性别的转录组谱产生影响。他们能够完全使用从胚胎发生早期卵裂阶段开始的小鼠和人类转录组时间序列进行这项研究(图1)。这样做的目的是确定性别特异性基因表达模式的最早实例，并比较在两个哺乳动物物种中这些网络的保守程度。

图1。本报告分析了小鼠和人类的胚胎天数和相应的发育阶段，从小鼠的E1.5-4到人类的E3-7。(预印图1)

重要发现

(1)性别对遗传变异的贡献在胚胎发育的最初阶段最高，但在胚胎着床前迅速降低。主成分分析表明，在胚胎发育的早期阶段，各性别的细胞聚在一起较弱，而在胚胎着床前发育的后期则不聚在一起。一个线性回归模型表明，在小鼠和人类的基因表达的最早时间点中，近25%的遗传方差是由于性别;然而，这种影响会迅速减弱。这表明性别对基因表达的相对贡献最初是显著的，但在胚胎发育早期迅速而显著地下降。

(2)在小鼠和人类胚胎中均可检测到性别偏倚的基因表达和蛋白-蛋白相互作用，并具有一些物种:物种差异。尽管数量很少，但在小鼠和人类的早期胚胎中都检测到了性别差异表达基因(sexDEGs)(图2)。在小鼠中，性别差异表达基因的总数量从4细胞期开始增加，在16细胞期达到高峰，其标志是雌性基因与雄性基因的比例不断增加(在这个时间范围内从1:8到2:1)。在人类中，不同阶段的性别DEGs大小相当，在囊胚后期达到高峰，发现女性的DEGs是男性的两倍。此外，作者还发现了蛋白质-蛋白质相互作用模式的物种差异。在小鼠中，在16细胞阶段出现了雄性特异性蛋白-蛋白相互作用的爆发，这与32细胞阶段出现了类似的雌性特异性蛋白相互作用的爆发相呼应。然而，在人类中，非degs在16-32细胞期较高，在早期-晚期囊胚期减少，在着床期再次增加。

图2。小鼠和人类早期胚胎阶段的性别偏向基因表达。红色表示女性，蓝色表示偏向男性的性别特征。(预印图3 a)

(3)在小鼠和人类之间，同源基因缺乏保守信号，但在胚胎发生早期存在性别偏向基因的保守网络。在小鼠和人类在早期发育过程中始终保持雌性或雄性偏倚的前20个基因中，只有两个同源基因(KDM5D和DDX3Y，都是y连锁基因)具有保守的性别偏倚模式。然而，对来自两个物种的数据集进行对齐和整合，发现在整个胚胎发生早期，集群结构具有一些保守信号的相似性(图3)。通过非负矩阵因子分解，在性别和时间点上产生具有相似表达模式的监督基因集群，突出了人类和小鼠在受精后、表观遗传重编程和植入前等早期发育阶段的纵向保守本体。

图3。从106个小鼠样本和1529个人类样本跨越胚胎发育早期阶段的单细胞转录组数据的整合聚类分析(预印图5)

重要性

这张预印本表明，在雄性和雌性胚胎发生的最早阶段，在涉及性别特异性细胞发育的x-连锁蛋白编码基因中富集了不同的分子信号和网络景观。这一发现表明，在胚胎发育的第一步，性染色体在早期作用网络的分化中发挥了作用，并挑战了性别决定后性别特异性性腺形成后才发生性别分化的观点。

对作者的提问

我惊讶地发现，物种之间的多能性因子的独特表达(例如Nanog而且Oct4而这些因子在人类卵裂期的囊胚和囊胚内细胞团中均有表达。对于为什么数据集/分析没有检测到这些因素的表达，您有什么想法吗?
您是否希望用未来可能发表的其他发育阶段和/或物种的数据集来补充这些数据?

发布日期:2022年6月14日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32129

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作者的回应

诺拉·恩格尔共享

1)我惊讶地发现，物种之间的多能性因子的独特表达(如Nanog而且Oct4而这些因子在人类卵裂期的囊胚和囊胚内细胞团中均有表达。对于为什么数据集/分析没有检测到这些因素的表达，您有什么想法吗?

在这篇手稿中，我们分析了已发表的单细胞RNA-seq数据，这些数据通常被认为是转录因子不足的。大多数转录因子在细胞中的表达水平都很低，尤其是当它们是“主”调控因子时，因为只需要几个分子就可以释放出细胞表型中典型的整个转录程序的级联激活。因此，再加上单细胞技术只能检测每个细胞约2000个转录本的限制，我们对数据集中没有检测到一些典型的早期胚胎发生转录因子并不感到惊讶。

2)您是否希望用未来可能发表的其他发育阶段和/或物种的数据集来补充这些数据?

随着单细胞技术发展到更高的灵敏度，我们计划在未来用新的数据集来补充这些初步发现，特别是如果他们为了获得更完整的事件时间过程而改进时间点的话。此外，将这项工作应用到更广泛的系统基因组背景下，使用其他哺乳动物物种，肯定会丰富我们的初步分析，并进一步阐明早期胚胎阶段的性别偏见表达，以及性染色体在建立它们中的作用。我们了解胚胎发生早期基因表达的时间进程的主要目标之一是确定一些早期性别偏见是否伴随着性别特异性的表观遗传特征，以及其中一些是否在着床后继续存在。