科研進(jìn)展
西北高原所揭示牦牛遠(yuǎn)緣雜交后代雄性不育的兩個(gè)主要原因
犏牛是牦牛(Bos grunniens)和普通牛(Bos taurus)的雜交后代，兼具高寒極端環(huán)境適應(yīng)能力和較好的產(chǎn)肉、奶等優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性狀。雌性犏牛具有正常的生育能力；但雄性犏牛因生精阻滯而不完全育，是研究哺乳動(dòng)物生殖隔離分子機(jī)制和物種形成的天然模型。中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物繁育與功能基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)在牦牛生精細(xì)胞發(fā)育分析和牦?；蚪M結(jié)構(gòu)變異解析等前期工作的基礎(chǔ)上，利用細(xì)胞培養(yǎng)、減數(shù)分裂分析和蛋白組檢測(cè)等試驗(yàn)，圍繞精原細(xì)胞發(fā)育和精母細(xì)胞減數(shù)分裂關(guān)鍵調(diào)控因子篩選和鑒定，近期獲得了階段性重要進(jìn)展。
精原細(xì)胞來(lái)源于在胎兒期形成的性原細(xì)胞，后者在出生后的睪丸內(nèi)恢復(fù)有絲分裂，并從生精索中央向基底膜遷移形成精原細(xì)胞。通過(guò)檢測(cè)3月齡牦牛和犏牛睪丸組織內(nèi)支持細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)犏牛支持細(xì)胞的DNA甲基化修飾與牦牛存在顯著差異；402個(gè)基因在犏牛支持細(xì)胞中差異表達(dá)，其中包括膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(GDNF)和維甲酸(RA)合成的基因。GNDF是哺乳動(dòng)物精原細(xì)胞維持的關(guān)鍵因子，而RA參與調(diào)控性原細(xì)胞發(fā)育和精原細(xì)胞分化。體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外源性GDNF顯著促進(jìn)了精原細(xì)胞的增殖。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，犏牛性原細(xì)胞和未分化精原細(xì)胞數(shù)量，以及其中處于增殖狀態(tài)的細(xì)胞數(shù)量均顯著高于同齡牦牛，表明犏牛精原細(xì)胞的形成和命運(yùn)決定受到了影響，這是導(dǎo)致生殖細(xì)胞數(shù)量減少的主要原因。
犏牛精子發(fā)生的另外一個(gè)缺陷是精母細(xì)胞減數(shù)分裂阻斷導(dǎo)致的凋亡。為描繪參與精母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程的分子圖譜，并尋找參與犏牛減數(shù)分裂的蛋白，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)篩選純化了牦牛和犏牛精母細(xì)胞，隨后進(jìn)行了蛋白組分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)452個(gè)蛋白在犏牛精母細(xì)胞中出現(xiàn)豐度差異，291個(gè)蛋白僅在牦牛精母細(xì)胞中表達(dá)。在犏牛中表達(dá)下調(diào)的蛋白，如LMNA、HSPA4L、PTBP2、TDRD1、YBX3、STRBP、VRK1、CLGN、GPAT2和ELAVL1等，與DNA損傷刺激反應(yīng)和DNA雙鏈斷裂修復(fù)相關(guān)；而牦牛獨(dú)特表達(dá)的蛋白，如MAGED1、TDRD5、SETX、ADAD1、YBX2、GTSF1、SYCE2和CDK1等，則參與細(xì)胞分裂和周期、以及外源性凋亡信號(hào)通路調(diào)節(jié)。結(jié)合蛋白組和犏牛及其回交后代睪丸組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)篩選到一個(gè)在犏牛精母細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，但在回交后代中的表達(dá)水平趨近于親本的基因——結(jié)構(gòu)特異性核酸內(nèi)切酶亞基SLX4，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該基因在犏牛粗線期精母細(xì)胞中的表達(dá)顯著減少。這些結(jié)果表明SLX4的表達(dá)失調(diào)，可能導(dǎo)致犏牛同源重組階段crossover的形成失敗和減數(shù)分裂的紊亂。
以上研究通過(guò)描繪牦牛生殖細(xì)胞和睪丸體細(xì)胞內(nèi)外源因子的表達(dá)圖譜，為系統(tǒng)解析牛屬動(dòng)物正常精子發(fā)生提供了重要數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)犏牛精原細(xì)胞形成異常和減數(shù)分裂缺陷是導(dǎo)致其不育的兩個(gè)原因。本研究發(fā)現(xiàn)的參與DNA雙鏈斷裂、聯(lián)會(huì)和同源重組等減數(shù)分裂關(guān)鍵事件的蛋白質(zhì)，為犏牛雄性不育機(jī)制解析和遺傳矯正策略研究奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究結(jié)果近日以Transcriptome analysis reveals dysregulated gene expression networks in Sertoli cells of cattle-yak hybrids、Comparative proteomic analysis identifies differentially expressed proteins associated with meiotic arrest in cattle-yak hybrids、Localization and expression of SLX4 in the testis of sterile male cattle-yak為題發(fā)表在 Theriogenology, Proteomics 和 Reproduction in Domestic Animals 雜志上。博士研究生伍仕鑫和碩士研究生趙尚尚為第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。研究得到了國(guó)家自然基金項(xiàng)目和青海省自然基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。
研究模式圖：牦牛遠(yuǎn)緣雜交后代精子發(fā)生主要缺陷分析
