Chromatin and Single-Cell RNA-Seq Profiling Reveal Dynamic Signaling and Metabolic Transitions during Human Spermatogonial Stem Cell Development

生物 染色质 表观遗传学 转录组 细胞生物学 干细胞 胚胎干细胞 细胞分化 同源盒蛋白纳米 DNA甲基化 小RNA RNA剪接 遗传学
作者
Jingtao Guo,Edward J. Grow,Chongil Yi,Hana Mlcochova,Geoffrey J. Maher,Cecilia Lindskog,Patrick J. Murphy,Candice L. Wike,Douglas T. Carrell,Anne Goriely,James M. Hotaling,Bradley R. Cairns
出处
期刊:Cell Stem Cell [Elsevier BV]
卷期号:21 (4): 533-546 被引量:146
标识
DOI:10.1016/j.stem.2017.09.003
摘要

Human adult spermatogonial stem cells (hSSCs) must balance self-renewal and differentiation. To understand how this is achieved, we profiled DNA methylation and open chromatin (ATAC-seq) in SSEA4+ hSSCs, analyzed bulk and single-cell RNA transcriptomes (RNA-seq) in SSEA4+ hSSCs and differentiating c-KIT+ spermatogonia, and performed validation studies via immunofluorescence. First, DNA hypomethylation at embryonic developmental genes supports their epigenetic poising in hSSCs for future/embryonic expression, while core pluripotency genes (OCT4 and NANOG) were transcriptionally and epigenetically repressed. Interestingly, open chromatin in hSSCs was strikingly enriched in binding sites for pioneer factors (NFYA/B, DMRT1, and hormone receptors). Remarkably, single-cell RNA-seq clustering analysis identified four cellular/developmental states during hSSC differentiation, involving major transitions in cell-cycle and transcriptional regulators, splicing and signaling factors, and glucose/mitochondria regulators. Overall, our results outline the dynamic chromatin/transcription landscape operating in hSSCs and identify crucial molecular pathways that accompany the transition from quiescence to proliferation and differentiation.
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