实验室发现转录因子PBX1在调控间质细胞分化和精子发生中的关键作用

    哺乳动物精子发生是个高度复杂的细胞分化过程，涉及精原细胞增殖、精母细胞减数分裂和精子变形等发育关键事件。生殖细胞在各阶段的命运转换受体细胞的精密调控。睾丸间质细胞（Leydig cell）是分布于曲精小管间质区的一类特殊体细胞。这类细胞的核心功能是通过分泌雄性激素睾酮，维持睾丸结构和微环境的稳定。间质细胞功能障碍可直接导致动物性腺发育障碍、不育以及雄激素依赖的器官病变。目前，间质细胞类固醇合成中起核心作用的基因和通路已经明确，但调控其发育的重要转录因子依然需要深入挖掘鉴定。

    中国科学院西北高原生物研究所动物生态与资源保护研究团队通过对睾丸单细胞转录组数据的挖掘，发现转录因子PBX1（Pre-B-cell leukemia homeobox transcription factor 1)在睾丸间质细胞和管周肌样细胞中特异表达。为研究该转录因子的功能，研究团队利用Cre-Loxp系统制备了Pbx1间质细胞特异性敲除小鼠模型（以下简称敲除小鼠）。通过不育试验和形态学分析发现，成年敲除小鼠完全不育，曲精小管结构严重受损，生精细胞扩散至间质区域。曲精小管结构的损坏导致睾丸微环境发生改变，从而对精母细胞减数分裂及其后期细胞的发育造成显著影响。透射电镜分析发现，敲除小鼠间质细胞内脂滴数量增多但直径缩小，表明该转录因子在类固醇激素合成中可能发挥重要作用。激素测定结果表明，PBX1功能缺失导致睾酮激素浓度显著下降，同时伴随着孕烯醇酮、雄烯二酮和促黄体生成素水平的显著上升。间质细胞单细胞转录组分析发现，和对照相比，Pbx1缺失导致不同类型的间质细胞比例发生改变，比如成年间质细胞比例增加了21.85%。更为重要的是，Pbx1缺失导致334个基因表达发生显著改变，其中90.12%的差异基因表达下调，这些基因富集在胆固醇代谢、类固醇激素合成、脂质代谢等通路。结合单细胞和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）数据等，发现PBX1可直接调控Nr2f2、Prlr、Nedd4等类固醇合成相关基因的表达。由于敲除小鼠睾酮水平显著降低而该激素是维持睾丸微环境的关键激素，研究团队通过对成年敲除小鼠补充外源睾酮开展了表型挽救实验，结果显示，虽然补充外源睾酮可以恢复敲除小鼠睾酮水平，但依旧存在显著的生精缺陷。以上结果表明PBX1在调控间质细胞发育和类固醇激素的合成过程中发挥着重要作用。研究结果为深入解析间质细胞命运决定、睾丸发育不全和间质细胞激素分泌的分子调控提供了重要数据。

    相关研究结果以 Loss of PBX1 function in Leydig cells causes testicular dysgenesis and male sterility 为题，于5月10日在 Cellular and Molecular Life Sciences 期刊（生物学2区TOP期刊，IF 8.0）在线发表。西北高原所博士研究生王菲晨为第一作者，杨其恩研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（31771656和31571539），青海省自然科学基金（2020-ZJ-902）等项目的资助与支持。

    论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-024-05249-5

论文模式图

论文代表图：A：转录因子PBX1在小鼠间质细胞表达；B：间质细胞特异性敲除Pbx1导致曲精小管结构完整性受损；C：Pbx1敲除导致间质细胞基因表达异常；D: Pbx1敲除导致不同类型间质细胞比例异常；E：ChIP-seq结果显示PBX1和Nr2f、Prlp、Nedd4等类固醇合成关键基因的启动子区结合；F：Nr2f、Prlp、Kit蛋白在Pbx1敲除间质细胞的表达水平低于对照；G：Pbx1敲除小鼠睾酮水平显著降低。