在生物学领域，生殖细胞的发育一直是科学家研究的热点。生殖细胞是生命延续的桥梁，在生物体中扮演着至关重要的角色。无论是在微小的线虫还是复杂的哺乳动物中，生殖细胞的发育过程都是一个复杂而精妙的生物学现象。生殖细胞不仅需要经历一系列的分化和成熟过程，还必须在正确的时空条件下完成这些过程，以确保后代的健康和生存。近日，申恩志实验室在Cell Discovery上发表了一篇题为“Spatiotemporal Single-cell Architecture of Gene Expression in the C. elegans Germ Cells”的研究论文。该研究以秀丽隐杆线虫为模型，利用其简单且透明的生殖系统，揭示了“生殖细胞”的单细胞转录图谱。研究重点揭示了精子细胞发育过程中的基因表达单细胞架构，为理解生殖系统的解剖、分化和功能机制提供了新的视角。本文将详细介绍该研究的精彩内容，特别是精子发育过程中小RNA的动态变化和调控的网络，以及研究团队提供的在线资源。

文章截图：

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41421-025-00790-4

精子发育过程中基因动态表达和转录调控的识别

利用秀丽隐杆线虫为模型，本研究建立了L4时期线虫生殖细胞的单细胞转录图谱，发现L4时期的生殖细胞有两个发育轨迹：精子发育过程和卵子发育过程。由于L4时期主要是精子发育，因此本研究对精细胞进行了更细致的亚群分群，标记为SP1-5。通过伪时间轨迹分析，本研究识别出3163个基因在伪时间上表现出动态表达模式，并构建了这些基因的转录调控网络，为理解精子细胞的发育过程提供了重要线索。

图1. 精子发生发育过程中的转录和调控

小RNA通路在精细胞中动态变化

已有研究表明，小RNA通路对精子发育过程起着至关重要的作用。本研究发现，随着精细胞的发育，piRNA、22G RNA和miRNA通路因子的整体表达水平逐渐减少，而26G RNA通路的表达则逐渐增加。这些发现揭示了小RNA通路在精子发生过程中的动态表达模式，表明了它们在精细胞发育不同阶段的特异性和功能多样性。为了深入理解小RNA通路因子在精子发生过程中的表达模式，我们分析并构建了转录因子与小RNA通路组分在精子发生过程中的潜在调控关系，这将有助于理解生殖细胞发育中基因表达调控机制。

图2. 小RNA通路组分表达情况以及调控网络。

TF elt-1调控26G通路因子alg-3/4

为了深入探究转录因子与小RNA通路组件之间的调控关系，本研究聚焦在转录因子elt-1与其潜在靶基因Argonautes alg-3/4的相互作用。研究发现，缺失转录因子elt-1会导致alg-3/4的mRNA和蛋白表达水平下降。此外，elt-1的缺失能够显著减少26G RNA的表达，这可能是由于缺乏Argonautes alg-3/4的保护所致。这些发现为进一步研究 26G RNA 通路的分子机制以及对雄性生殖细胞影响提供了重要的线索。

图3. TF elt-1调控26G通路因子alg3/4

在线资源：CelegansGermAtlas

为了方便其他研究人员探索和利用这些数据，本研究开发了一个用户友好的在线工具——CelegansGermAtlas（https://scgerm-atlas.sjtu.edu.cn/website/#/home）。该平台不仅提供了基因表达模式的可视化，还提供了潜在的转录因子和调控基因之间的关系数据。通过这个工具，研究人员可以方便地访问感兴趣的基因信息，探索基因表达模式在整个精子发育过程中的变化。

图4. 在线资源平台。

基于以上内容，本研究利用单细胞测序技术成功绘制了L4阶段线虫生殖细胞的单细胞转录图谱，深入探讨了基因的时空特异性表达及其在生物学过程中的作用。本研究鉴定了不同的精细胞亚群，每个亚群都具有独特的表达特征。此外，本研究深入探索了转录因子在精细胞发育过程中的潜在调控网络，并绘制了小RNA通路及其组成成分的转录图谱，揭示了其在精子发生调控中的潜在关键作用。最后，为实现数据的共享，建立了一个用户友好的资源平台，便于其他研究者的使用。本研究希望这些成果能够为线虫研究提供重要资源，并在单细胞水平上为精子发生的转录调控机制提供新的见解。

西湖大学特聘研究员申恩志为本文通讯作者。西湖大学博士生李丽丽、汤筱茵和郭璇璇为本文共同一作。

申恩志课题组致力于使用不同的实验手段（分子生物学、生物化学、分析化学、生物信息学和遗传学等），来研究非编码RNA的分子机制和生理功能以及在重大疾病发生中的作用。

本课题组将以线虫和小鼠为模式生物，主要研究（但不限定于）：

1. piRNA通路的分子机制和生理功能
2. 生殖系细胞转录组稳定性和特异性的调控机制
3. 非生殖系组织中piRNA的生物学功能
4. piRNAs如何影响重大疾病的发生

热烈欢迎有志青年跟我们一起探索非编码RNA的奥秘。目前尚有多个副研究员、助理研究员等职位虚位以待！非常期待你的加盟！

邮箱：shenenzhi@westlake.edu.cn