很多疾病的发生发展呈现性别偏好性（Sex bias），但机制尚不清楚，前期研究表明干细胞的性别维持和紊乱可能是疾病性别偏好的新机制。干细胞如何协调胞内外信号以维持性别特征从而保持组织稳态是关键问题。尽管目前对性别决定机制以及胚胎发育期间体细胞的性别对生殖细胞的影响已有广泛报道，但成年期干细胞性别身份维持的分子机制以及体细胞与生殖细胞之间的相关信号在很大程度上仍未被探索。
2024年6月22日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院马晴课题组和中山大学生命科学院徐锦课题组在National Science Review杂志在线发表了题为Soma-Germline Communication Drives Sex Maintenance in the Drosophila Testis的最新研究成果。
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文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae215
该研究利用果蝇精巢干细胞性别转变导致的雄性特异的生殖系统肿瘤模型，联合应用scRNA-Seq和CUT&Tag技术表明了成年果蝇体干细胞（Somatic cyst stem cells, CySCs）的性别维持（Sex maintenance）通过Chinmo蛋白的非编码突变介导的保守性别决定信号通路（Sex determination pathway）和胰岛素信号通路（Insulin signaling pathway）调控。该研究在单细胞水平解析了“性别开关”Chinmo的非编码突变导致的果蝇精巢体干细胞雌性化的分子特征，揭示了体细胞-生殖细胞间通讯异常导致生殖细胞性别紊乱和肿瘤化的信号传导机制。该研究强调了干细胞性别不稳定性作为导致生殖系统肿瘤发生的新机制的潜在重要性，并为理解肿瘤发生和不孕症背后的复杂机制提供了新见解。
图1："性别开关"Chinmo受JAK-STAT信号通路的调控，直接作用于雄性性别决定因子DsxM（果蝇中与哺乳动物性别决定因子DMRT1同源的基因）和胰岛素信号通路因子，以维持CySC谱系的雄性身份并促进正常的精子发生。
在许多生物中，细胞性别身份在胚胎发育期间就已建立且在过去认为其性别是不可改变的，但最近的研究发现成年性腺中体干细胞的性别也可以发生转变，这表明体细胞的性别身份在成年期或出生后是需要维持的。那么成年期的（干）细胞是如何维持其性别身份，以及体细胞与生殖细胞之间是如何相互作用以维持正常的配子发生呢？ 作者前期报道了一种果蝇精巢突变表型，其体干细胞在成年期发生性别转变，为研究体细胞的性别维持以及体细胞-生殖细胞间通讯提供了一个合适的模型。作者前期发现JAK-STAT信号通路的关键效应因子和“性别开关”Chronologically inappropriate morphogenesis (Chinmo)的非编码突变（chinmoSex Transformation, chinmoST）诱导了CySCs的性别逆转进而导致雄性偏好的肿瘤发生。由于只有少量性别特异性体细胞标记物，无法全面解析随时序发生转分化的体干细胞的谱系轨迹以及不同体细胞和生殖细胞的分子特征。此外，Chinmo诱导的“性别转变”体干细胞与本应“雄性”的生殖细胞之间的信号通讯又是否发生了变化呢？
图2：野生型精巢、chinmoST突变型精巢和野生型卵巢示意图，以及野生型和chinmoST突变型精巢染色图
围绕上述问题，作者对成年果蝇的多个发育时段的精巢进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）来表征野生型和chinmoST突变精巢的转录组图谱。作者鉴定了chinmoST特有的细胞群体，并检测到了与表型相对应的转录组变化。通过比较分析野生型和chinmoST突变精巢之间的细胞间通讯网络（Cell-cell communication network），发现包括胰岛素信号通路在内的几个体细胞-生殖细胞间信号通路在chinmoST突变精巢中发生了紊乱，其中胰岛素信号通路从雌性化的CySCs到生殖细胞干细胞（GSCs）之间的信号传导显著增强。Chinmo CUT&Tag（Cleavage Under Targets and Tagmentation）检测分析揭示了Chinmo直接调控两个雄性性别决定因子，doublesex（dsx）和fruitless（fru），以及胰岛素信号通路的调控因子。进一步的果蝇遗传实验确认了在chinmoST突变精巢中观察到的配子发生障碍的部分原因是由于胰岛素通路信号的失调。总之，研究表明体细胞维持性别是通过Chinmo介导的保守性别决定通路和胰岛素信号通路共同促进了正常的配子发生。
图3：成年果蝇精巢单细胞数据图，精巢细胞间的信号传导，以及Chinmo靶基因示例
这一发现为体干细胞性别维持和单细胞水平上的体细胞-生殖细胞通讯的复杂机制提供了新的见解，为理解不孕症背后的复杂机制提供了新的视角，强调了干细胞性别维持的不稳定性与睾丸肿瘤发生、生育能力受损之间的直接联系。另外，作者前期还发现“性别开关”Chinmo能被一些非编码元件调节，在果蝇生殖干细胞中心行使调控干细胞性别和生殖系统肿瘤发生的功能，这也暗示着非编码调控在干细胞性别维持和性别偏好疾病发生过程中的重要作用。更为重要的是，许多疾病的发生发展具有明显的性别偏向性，如自身免疫疾病、神经系统疾病、心血管疾病、感染类疾病（包括新冠肺炎COVID-19），甚至多种癌症。传统的疾病治疗手段往往忽略了性别因素，有时会导致疾病治疗效果表现出性别差异性响应。全面解析干细胞性别维持的分子机制及其介导的细胞间相互作用有望为性别偏好的疾病防治提供新的靶点。
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员马晴和中山大学生命科学院教授徐锦为本文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员张睿，研究助理施佩瑜（原中山大学硕士研究生）为共同第一作者。本工作获得了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省合成基因组学重点实验室、深圳市合成基因组学重点实验室等多个项目的经费支持。
PI与课题组简介：马晴，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员，博士生导师。入选国家级人才计划，国家重点研发计划合成生物学青年项目首席科学家。课题组主要研究方向：基因组非编码区域以及非编码RNA在干细胞分化和表观遗传调控中的功能和机理，合成生物学非编码RNA工具的发掘和开发。研究成果以一作或通讯作者发表在Developmental Cell、eLife、Development、Genome Biology、National Science Review等国际专业期刊。
课题组长期招募博士后、硕博士研究生。实验室主页：http://isynbio.siat.ac.cn/qingmalab/
PI与课题组简介：徐锦，中山大学生命科学学院教授，博士生导师。中山大学2019年“百人计划”引进人才，入选国家级人才计划。以计算生物学和单细胞多组学技术为研究手段，研究和探索包含表观遗传学修饰、转录调控和转录后调控等多个层次的调控机制，解析基因表达调控的机制以及演化过程。研究成果以一作或通讯作者发表在Cell、Nature Genetics、Neuron、eLife 等国际专业期刊。
实验室主页：https://lifesciences.sysu.edu.cn/teachersprofessor/2760
马晴课题组和徐锦课题组在性别差异调控方向长期紧密合作，联合招聘具有生物信息学或分子生物学博士后，可享任一课题组所在单位待遇，共享两个课题组研究资源。有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至qing.ma@siat.ac.cn 或xujin7@mail.sysu.edu.cn
