Testis single-cell RNA-seq reveals the dynamics of de novo gene transcription and germline mutational bias in Drosophila
一句話概括
- 通過對RAL517這種野生型果蠅的精巢進行單細胞測序，然后進行生物信息學的分析，發(fā)現(xiàn)：在果蠅精子發(fā)生過程中，總體基因表達強度逐漸降低；de novo 基因的表達先增高后降低；發(fā)生突變的細胞比例逐漸降低；DNA損傷修復基因的表達逐漸降低。
1. Materials
2. Methods
3. Results
3.1 Unsupervised clustering elucidates the distribution of de novo genes across cell types
- 果蠅精巢的形狀和各時期的細胞，主要包括體細胞和生殖細胞
- 體細胞：Hub cell(somatic cell)、Cyst cell(膀胱細胞)、terminal epithelial cells
生殖細胞： germline stem cells、spermatogonia(精原細胞)、spermatocytes(精母細胞)、spermatids(精子細胞)
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- 用tSNE對單細胞數(shù)據(jù)進行降維分析，把維度降低到2，進行二維可視化
- 可以通過tSNE結果來觀察大體分為幾個大群的細胞
- 通過FindNeighbors和FindClusters來進行無監(jiān)督的聚類分析，將所有單細胞分為9個clusters，三個體細胞clusters，6個生殖細胞clusters，其中GSC和early spermatogonia 合并在一起
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- 體現(xiàn)幾個重要的marker基因在各個細胞中的表達量
用這個圖可以反過來證明降維分析和聚類的可靠性
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- 橫坐標為基因，縱坐標為cluster
- 圓的大小代表此cluster中表達此基因的細胞比例，顏色的深淺表示表達強度
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- 每個cluster中平均基因種類數(shù)
平均基因表達數(shù)目在減數(shù)分裂前期(精母細胞)達到最高值
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- 每個cluster中平均MUI數(shù)
平均MUI數(shù)在減數(shù)分裂前期(精母細胞)達到最高值
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- 每個cluster中表達的某類基因的種類占此類基因總數(shù)的比例
- 僅看生殖腺細胞，這幾類基因的表達都是在精母細胞的早期達到最大值
- 對比生殖腺細胞和體細胞，生殖腺細胞中segregating de novo基因、fixed de novo基因、testis specifical基因的表達比例要明顯高于體細胞
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- 在生殖腺細胞中segregating de novo基因、fixed de novo基因相對高表達，暗示生殖腺細胞對于新基因的產(chǎn)生和發(fā)揮功能起到積極作用
- 生殖細胞的代謝強度。。。。。。
3.2 Developmental trajectories show de novo gene expression bias during spermatogenesis
- Pseudotime time分析，體現(xiàn)精子形成過程在時間上的軌跡
- 紅色開始端是GSC，結束端是精子細胞
藍色是體細胞
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- 只對生殖細胞進行分析
- 把所有生殖腺細胞按其各自的擬時間順序排列，縱坐標是每個細胞中UMI數(shù)
生殖腺細胞中的基因表達強度在精子發(fā)生的中期達到最高
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- 對生殖細胞進行分析
- 橫坐標是擬時間，縱坐標是每個細胞中相應基因的UMI數(shù)
- de nove 基因的表達在整個精子形成過程中不是均勻的，有的在中期表達最高，有的在早期表達最高
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- de nove 基因的表達在整個精子形成過程中不是均勻的，有的在中期表達最高，有的在早期表達最高，但在減數(shù)分裂完成后都會逐漸降低
3.3 Gene age and mode of origination affects gene expression bias across cell types
- 縱坐標含義：只取生殖腺細胞的數(shù)據(jù)，每個基因都在所有細胞中做scale，同一cluster的同一基因的sacle結果取平均值，得到每個cluster的每個gene group的每個基因的平均scale expression
把同一cluster的同一gene group中所有基因的平均scale expression畫在同一個bar中
image.png- 從表達強度來看，在整個精子發(fā)生過程中，de novo基因和精巢特異性基因的表達先增高后降低，所有其他基因的表達逐漸降低
- de novo基因和其他基因的比較是age的區(qū)別，精巢特異性基因和其他基因的區(qū)別是mode of origination的區(qū)別
3.4 Mutational load decreases throughout spermatogenesis
- B：每個細胞類群中的單堿基平均突變率
C：每個細胞類群中的細胞突變率
image.png- 在精子產(chǎn)生過程中，細胞的單堿基平均突變率和帶有突變的細胞比例都在不斷下降
- 假設：1.在精子產(chǎn)生過程中，突變被不斷修復；2.在精子產(chǎn)生過程中，發(fā)生突變細胞的凋亡
- 縱坐標含義：只取生殖腺細胞的數(shù)據(jù)，每個基因都在所有細胞中做scale，同一cluster的同一基因的sacle結果取平均值，得到每個cluster的每個gene group的每個基因的平均scale expression
把同一cluster的同一gene group中所有基因的平均scale expression畫在同一個bar中
image.png- DNA損傷修復基因的表達，在精子發(fā)生的早期較高，但隨著精子發(fā)生過程而不斷降低
- 假設：隨著精子發(fā)生的進行，DNA突變越來越少，對DNA修復的需求下降
