科研進(jìn)展
動(dòng)物生態(tài)與資源保護研究團隊在牦牛遠緣雜交后代雄性不育機理解析方面獲得新進(jìn)展
哺乳動(dòng)物遠緣雜交不育在自然界較為常見(jiàn)，在家養動(dòng)物中，最具代表性的是牦牛和普通牛的雜交后代——犏牛。雌性犏牛有正常的生育力而雄性由于精子發(fā)生阻斷完全不育。雖然科研人員自上世紀80年代起就持續探索犏牛不育的機制，但導致其雜交不親和性的基因依然沒(méi)有得到確定。精準解析不同類(lèi)型生殖細胞基因表達特征是篩選雜交不育基因的必要過(guò)程。由于傳統轉錄組測序忽略了不同細胞基因表達的異質(zhì)性，無(wú)法檢測單個(gè)細胞的基因表達，目前，犏牛生殖細胞類(lèi)型尚未得到精確鑒定，其發(fā)育過(guò)程中細胞命運及狀態(tài)轉變的基因表達動(dòng)態(tài)也不清楚。
中國科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物生態(tài)與資源保護研究團隊在前期對牦牛、普通牛和犏牛不同發(fā)育時(shí)期生精細胞形態(tài)學(xué)分析的基礎上，對12月齡牦牛和犏牛的睪丸組織進(jìn)行了單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析，結合已知生殖細胞標記基因的表達情況，獲得了兩種動(dòng)物生殖細胞發(fā)育軌跡和基因表達譜。結合標記基因、細胞群高表達基因和擬時(shí)序分析結果，發(fā)現此發(fā)育階段的生殖細胞可以被定義為五種類(lèi)型：未分化型精原細胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細胞2（Diff-SPG2）和精母細胞（SPCs）。和牦牛相比，犏牛的五種生殖細胞比例均存在著(zhù)明顯的差異，其未分化型精原細胞比例減少，而分化型精原細胞比例顯著(zhù)增加，表明其精原細胞命運決定過(guò)程存在異常。通過(guò)對各個(gè)生殖細胞亞型的進(jìn)一步比較，發(fā)現了一系列與細胞增殖和凋亡、精原細胞分化和減數分裂進(jìn)入相關(guān)的基因異常表達。除生殖細胞外，牦牛和犏牛的體細胞比例雖然存在差異，但是差異表達基因較少，尤其是支持細胞。雖然支持細胞是生殖細胞直接接觸的唯一體細胞，在調控生殖細胞發(fā)育中發(fā)揮不可替代作用，但在單細胞水平，牦牛和犏牛支持細胞基因表達細胞無(wú)顯著(zhù)差別，表明犏牛生殖細胞基因表達異常主要受內源因素影響。通訊分析發(fā)現，犏牛的五種生殖細胞間接收和發(fā)送信號的能力降低，且與精子發(fā)生相關(guān)的EGF和FGF信號通路存在異常。體細胞與生殖細胞間的通訊在犏牛中也存在異常，表現為生殖細胞接收到了更多的來(lái)自間質(zhì)細胞的信號。以上結果表明犏牛的精原細胞自我更新、分化和減數分裂進(jìn)入異常，這與基因表達異常和細胞通訊失調相關(guān)。本研究描繪了牦牛生殖細胞基因表達圖譜，以此為基礎，發(fā)現犏牛精原細胞命運決定和減數分裂啟動(dòng)異常，研究結果為鑒定犏牛雄性不育因果基因提供了重要的數據。
相關(guān)研究結果以 Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 為題，于4月18日在?Journal of Dairy Science（農林科學(xué)1區TOP期刊）在線(xiàn)發(fā)表。西北高原所博士研究生張譯文為論文第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2021YFD1200405），青海省自然科學(xué)基金（2020-ZJ-902）等項目的資助與支持。
論文鏈接：?https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(24)00759-8/fulltext
單細胞轉錄組分析揭示犏牛精原細胞命運決定異常。A：牦牛和犏牛生殖細胞單細胞tSNE聚類(lèi)圖；B：隨擬時(shí)序變化的不同類(lèi)型生殖細胞基因表達特征分析；C：兩種牛精原細胞和早期精母細胞比例；D：細胞通訊分析顯示兩種牛不同類(lèi)型精原細胞互作存在顯著(zhù)差異。未分化型精原細胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細胞2（Diff-SPG2）和精母細胞（SPCs）
