Testis single-cell RNA-seq reveals the dynamics of de novo gene transcription and germline mutational bias in Drosophila
一句话概括
- 通过对RAL517这种野生型果蝇的精巢进行单细胞测序，然后进行生物信息学的分析，发现：在果蝇精子发生过程中，总体基因表达强度逐渐降低；de novo 基因的表达先增高后降低；发生突变的细胞比例逐渐降低；DNA损伤修复基因的表达逐渐降低。
1. Materials
2. Methods
3. Results
3.1 Unsupervised clustering elucidates the distribution of de novo genes across cell types
- 果蝇精巢的形状和各时期的细胞，主要包括体细胞和生殖细胞
- 体细胞：Hub cell(somatic cell)、Cyst cell(膀胱细胞)、terminal epithelial cells
生殖细胞： germline stem cells、spermatogonia(精原细胞)、spermatocytes(精母细胞)、spermatids(精子细胞)
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- 用tSNE对单细胞数据进行降维分析，把维度降低到2，进行二维可视化
- 可以通过tSNE结果来观察大体分为几个大群的细胞
- 通过FindNeighbors和FindClusters来进行无监督的聚类分析，将所有单细胞分为9个clusters，三个体细胞clusters，6个生殖细胞clusters，其中GSC和early spermatogonia 合并在一起
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- 体现几个重要的marker基因在各个细胞中的表达量
用这个图可以反过来证明降维分析和聚类的可靠性
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- 横坐标为基因，纵坐标为cluster
- 圆的大小代表此cluster中表达此基因的细胞比例，颜色的深浅表示表达强度
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- 每个cluster中平均基因种类数
平均基因表达数目在减数分裂前期(精母细胞)达到最高值
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- 每个cluster中平均MUI数
平均MUI数在减数分裂前期(精母细胞)达到最高值
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- 每个cluster中表达的某类基因的种类占此类基因总数的比例
- 仅看生殖腺细胞，这几类基因的表达都是在精母细胞的早期达到最大值
- 对比生殖腺细胞和体细胞，生殖腺细胞中segregating de novo基因、fixed de novo基因、testis specifical基因的表达比例要明显高于体细胞
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- 在生殖腺细胞中segregating de novo基因、fixed de novo基因相对高表达，暗示生殖腺细胞对于新基因的产生和发挥功能起到积极作用
- 生殖细胞的代谢强度。。。。。。
3.2 Developmental trajectories show de novo gene expression bias during spermatogenesis
- Pseudotime time分析，体现精子形成过程在时间上的轨迹
- 红色开始端是GSC，结束端是精子细胞
蓝色是体细胞
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- 只对生殖细胞进行分析
- 把所有生殖腺细胞按其各自的拟时间顺序排列，纵坐标是每个细胞中UMI数
生殖腺细胞中的基因表达强度在精子发生的中期达到最高
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- 对生殖细胞进行分析
- 横坐标是拟时间，纵坐标是每个细胞中相应基因的UMI数
- de nove 基因的表达在整个精子形成过程中不是均匀的，有的在中期表达最高，有的在早期表达最高
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- de nove 基因的表达在整个精子形成过程中不是均匀的，有的在中期表达最高，有的在早期表达最高，但在减数分裂完成后都会逐渐降低
3.3 Gene age and mode of origination affects gene expression bias across cell types
- 纵坐标含义：只取生殖腺细胞的数据，每个基因都在所有细胞中做scale，同一cluster的同一基因的sacle结果取平均值，得到每个cluster的每个gene group的每个基因的平均scale expression
把同一cluster的同一gene group中所有基因的平均scale expression画在同一个bar中
image.png- 从表达强度来看，在整个精子发生过程中，de novo基因和精巢特异性基因的表达先增高后降低，所有其他基因的表达逐渐降低
- de novo基因和其他基因的比较是age的区别，精巢特异性基因和其他基因的区别是mode of origination的区别
3.4 Mutational load decreases throughout spermatogenesis
- B：每个细胞类群中的单碱基平均突变率
C：每个细胞类群中的细胞突变率
image.png- 在精子产生过程中，细胞的单碱基平均突变率和带有突变的细胞比例都在不断下降
- 假设：1.在精子产生过程中，突变被不断修复；2.在精子产生过程中，发生突变细胞的凋亡
- 纵坐标含义：只取生殖腺细胞的数据，每个基因都在所有细胞中做scale，同一cluster的同一基因的sacle结果取平均值，得到每个cluster的每个gene group的每个基因的平均scale expression
把同一cluster的同一gene group中所有基因的平均scale expression画在同一个bar中
image.png- DNA损伤修复基因的表达，在精子发生的早期较高，但随着精子发生过程而不断降低
- 假设：随着精子发生的进行，DNA突变越来越少，对DNA修复的需求下降
