精原干細胞是維持哺乳動物生殖細胞穩態和持續精子發生的基礎。此類細胞數量稀少，必須通過自我更新保持自身數目相對恒定，同時通過定向分化提供大量細胞參與生精過程。已有的研究已經揭示了精原干細胞核心微環境因子和一批關鍵的內源因子，但我們對精原干細胞活性的來源和其代謝狀態與命運決定的關系還缺乏了解。隨著單細胞組學技術的發展，我們能夠從單細胞水平探究不同細胞類型轉錄和表觀遺傳狀態，描述細胞發育軌跡并篩選在細胞命運決定中發揮關鍵作用的因子。
中國科學院西北高原生物研究所動物繁育與功能基因組團隊利用在未分化精原細胞特異表達熒光蛋白的小鼠模型（Lin28-yfp敲入小鼠），通過開展流式細胞分選和單細胞轉錄組及開放染色質檢測，描述了未分化精原細胞染色質開放狀態聚類圖譜，并鑒定出了一批在細胞發育過程中motif開放狀態和其自身表達水平成正相關的轉錄因子，通過正向轉錄調控因子篩選，發現多個可能在未分化精原細胞發育中起關鍵作用的轉錄因子，其中包括參與調控代謝和細胞周期的轉錄因子E4F1（E4F transcription factor 1）。為深入研究E4F1在精原干細胞命運決定中的功能，團隊制備了E4f1生殖細胞特異敲除小鼠模型，表型分析結果顯示該敲除小鼠無生育力，主要原因是精原細胞雖然能正常形成，但自我更新和分化過程異常，2月齡后曲精小管內只剩支持細胞。進一步分析發現E4F1敲除導致精原細胞周期阻斷于G1/S期，凋亡顯著增加，線粒體結構被部分損壞，比如線粒體膜電位和線粒體活性氧降低，線粒體長度增大。靶向代謝組分析發現，不同于表皮干細胞和造血干細胞，精原干細胞中E4F1的敲除雖然引起Dlat表達量降低，但并沒有引起丙酮酸含量顯著降低，且下游三羧酸循環相關代謝物沒有異常。E4F1缺失導致精原細胞脂肪酸代謝異常，表明該轉錄因子在生殖細胞中有其獨特的調控網絡。單細胞轉錄組測序和Chip-qPCR結果顯示，E4F1可能直接調控線粒體功能基因Cox7a2、Ndufs5、Dnajc19、Cox6c以及脂肪酸代謝關鍵基因的表達。為研究凋亡在E4F1敲除生殖細胞中的作用，研究團隊制備了E4F1;P53雙敲除小鼠模型，通過表型分析發現，35日齡雙敲除小鼠睪丸中生殖細胞的數量多于E4F1單敲除小鼠，但與單敲除小鼠一樣，2月齡雙敲除小鼠的生殖細胞全部丟失，表明E4F1敲除導致的生殖細胞丟失并不完全依賴于P53蛋白。以上結果表明E4F1調控線粒體功能和代謝維持精原干細胞穩態。本研究不僅為鑒定精原干細胞命運決定的調控因子提供了重要的基礎數據，而且進一步完善了我們對干細胞代謝和發育調控的認識。
相關研究結果以 Transcription factor E4F1 dictates spermatogonial stem cell fate decisions by regulating mitochondrial functions and cell cycle progression 為題，于9月25日在 Cell & Bioscience 期刊在線發表。中國科學院西北高原生物研究所博士研究生閆榮格和賀珍為共同第一作者，中國科學院西北高原生物研究所研究員楊其恩為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金(31571539和31771656)，青海省自然科學基金（2020-ZJ-902）等項目的資助與支持。
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未分化精原細胞轉錄調控因子鑒定及E4F1在精原干細胞維持中的功能
A：未分化精原細胞聚類TSNE圖；B： 細胞簇特異peaks聚類熱圖；C：基因表達分數與轉錄因子motif結合預測的正向調控轉錄因子；D: 2月齡對照和E4f1 cKO小鼠的睪丸；E：對照組和E4f1 cKO小鼠睪丸切片未分化精原細胞和支持細胞免疫熒光染色；F: 對照和E4f1 cKO小鼠生殖細胞的透射電子顯微鏡圖像;；G：對照和E4f1 cKO小鼠生精小管的As、Apr和Aal精原細胞比例；H：基于單細胞轉錄組數據的細胞分型及比例
