整合转录组学与系统遗传学将AKAP4定位为人精子冷冻保存中的进化约束网络枢纽基因

《Scientific Reports》：Integrative transcriptomics and systems genetics position AKAP4 as an evolutionarily constrained network hub gene in human sperm cryopreservation

　　

摘要

精子冷冻保存是辅助生殖技术的重要组成部分；然而，冻融应激往往会损害精子活力和受精能力。识别冷冻损伤的分子决定因素对于改善生育力保存策略至关重要。本研究采用整合系统生物学方法，鉴定与精子冷冻损伤相关的冷冻应激响应分子网络及关键调控因子。将人类精子转录组学与网络建模、调控预测、群体遗传学、比较基因组学及结构注释进行整合。对数据集GSE225320进行转录组分析，以评估冷冻应激响应性变化。蛋白质-蛋白质相互作用与共表达分析用于识别核心枢纽基因。通过RT-qPCR验证、独立的转录组与蛋白质组学数据集、群体遗传学分析、跨物种保守性评估及结构域水平结构映射，进一步表征候选基因。转录组分析揭示了冷冻应激响应网络的动态重塑。短期储存影响细胞骨架组织、磷酸化信号传导及精子运动相关通路，而长期储存则诱导蛋白质稳态、代谢应激适应及DNA损伤修复过程。网络分析鉴定出A激酶锚定蛋白4（AKAP4）为短期冷冻应激网络的核心枢纽。RT-qPCR验证证实精子冷冻保存后AKAP4转录本丰度显著降低。独立数据集显示AKAP4具有强烈的睾丸特异性富集，且与鞭毛结构、钙信号传导及cAMP/PKA依赖性运动通路存在功能性连接。群体遗传学与比较分析表明AKAP4受到强烈纯化选择、具有哺乳动物保守性及关键功能结构域的选择性约束。AKAP4作为一个进化受限且对冷冻保存敏感的枢纽基因，与精子运动通路密切相关。这些发现为精子冷冻保存相关的分子变化提供了系统生物学层面的见解，并鉴定出AKAP4作为未来功能研究的前景候选生物标志物。