研究人员发现睾丸中存在高水平的非编码 RNA提示其在精子功能和进化中发挥着新的作用

多伦多大学的研究人员绘制了睾丸中约 700 个长链非编码 RNA(又称 lncRNA)的空间分布图。研究小组发现睾丸中的 lncRNA 含量远高于之前的估计，这表明 lncRNA 在男性生殖中发挥的作用可能比之前认为的更重要。

研究小组对生物医学研究中常用的模型生物——果蝇睾丸内的 lncRNA 定位模式进行了全基因组分析。他们发现，lncRNA 基因表达的数量和表达水平远远超出了基于现有记录和缺乏相关性的假设的预期，部分原因是 lncRNA 不编码蛋白质。

“长链非编码 RNA 是一个备受争议的话题，因为目前尚不清楚它们中的大多数发挥什么功能，如果有的话，”这项研究的共同作者、多伦多大学唐纳利细胞和生物分子研究中心分子遗传学博士生 Matthew Jachimowicz 说道。

“lncRNA 的不确定性部分归因于人们认为它们在基因组中的表达水平相对较低。我们的研究结果推翻了这种观点，并证明了 lncRNA 在精子进化和发育过程中的许多潜在作用。”

该研究发表在《自然通讯》杂志上。

在整个动物界中，发育中的精子具有最高水平的基因表达，其中 lncRNA 基因的表达水平甚至高于编码基因，并且持续时间更长。Y 染色体在精子发育过程中独特地表达，由于具有许多不寻常的遗传特征，包括转座因子、卫星重复和假基因，也给研究人员带来了独特的挑战。

转座因子是从基因组的一个区域移动到另一个区域的 DNA 序列。卫星重复序列和假基因都是非编码的，前者由较大的重复 DNA 序列组成，而后者在结构上与基因相似。

Y 染色体中这些重复的非编码元素的存在导致其在精子生成之外的所有发育阶段都处于沉默状态。然而，它们可以通过将非编码元素整合到基因中给精子带来风险，从而导致突变、精子功能障碍或出生异常。

研究小组发现了几种 lncRNA 基因的例子，它们的作用是将潜在的有害转座活性降至最低，将其保持在促进新基因进化而不是现有基因突变的水平。

“成熟的精子已被证实含有编码和非编码基因的 RNA，”Jachimowicz 说。“精子细胞核中的非编码 RNA 可以影响多代人的代谢和行为。”

研究小组还在精液中发现了一种新型的 lncRNA 颗粒，这种颗粒可能影响生殖和后代。他们推测，这种新型 lncRNA 颗粒可能由精子和非精子细胞产生，并且可能发送复杂的细胞间信号。

“我们发现的很多 lncRNA 在之前的研究中被遗漏了，因为它们没有进行多聚腺苷酸化，”这项研究的第一作者、唐纳利中心的实验室技术员 Catherine Shao 说。“这个过程在 RNA 分子上添加了一个由一串腺嘌呤碱基组成的尾巴，这可以稳定分子并防止降解。事实证明，大多数 lncRNA 都没有进行多聚腺苷酸化，这就是为什么这么多 lncRNA 无法通过传统方法检测到的原因。”

“我们发现睾丸中 lncRNA 表达水平较高，这是驳斥 lncRNA 大多无功能性假设的关键，因为这些假设很大程度上是基于对低表达的观察得出的，”这项研究的首席研究员、唐纳利中心和特默蒂医学院分子遗传学教授亨利·克劳斯 (Henry Krause) 说。

“特别是新发现的基于 lncRNA 的粒子，有可能为开发新的基于 RNA 的疗法提供参考。”