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水生所胡炜组发现斑马鱼原始生殖细胞特化形成的新机制

作者:luojiao 发布时间:2022/5/12 9:00:00
对于有性生殖的动物而言,一个鲜活生命的诞生起始于父本和母本生殖细胞结合形成的受精卵。生殖细胞可谓生命之源,它是生命繁衍世代相续,生生不息的关键,肩负着将遗传信息传递给下一代的重任,在物种延续中具有无可替代的地位。有趣的是,无论是雄性生殖细胞还是雌性生殖细胞,它们都来自于原始生殖细胞(Primordial germ cell, PGC),原始生殖细胞是早期胚胎发育过程中最早建立的一群生殖干细胞,它是有性生殖动物生殖发育的基础。

那么原始生殖细胞因何而成?目前有关原始生殖细胞的形成有两种学说,第一种是以小鼠和人为代表的“后成论”,认为原始生殖细胞由其周围细胞分泌的信号诱导形成;第二种是以模式生物斑马鱼、果蝇及线虫等为代表的“先成论”,认为原始生殖细胞是由卵母细胞生殖质(Germ plasm)决定,早期胚胎发育过程中获得生殖质组分的细胞将特化为原始生殖细胞。斑马鱼生殖质在早期胚胎卵裂过程中逐渐向分裂沟处聚集,生殖质聚集障碍会导致PGC无法特化形成,说明生殖质聚集对PGC特化是必需的。但是,胚胎细胞获得生殖质进而特化成为原始生殖细胞的生物学过程如何调控?笼罩着层层神秘的面纱,难窥其庐山真面目。

中国科学院水生生物研究所胡炜研究员团队以斑马鱼为模型开展研究,发现生殖质聚集和原始生殖细胞特化需要Sinhcaf介导的组蛋白去乙酰化的调控作用,并进一步证实该调控作用是通过靶向激活驱动蛋白因子Kif26ab的转录而实现(图1)。2022年5月9日,该研究以Sinhcaf-dependent histone deacetylation is essential for primordial germ cell specification为题在线发表于EMBO Reports。斑马鱼生殖质聚集和原始生殖细胞特化过程如同一部被加密的“机器”,而Sinhcaf蛋白是启动这部机器所需的“密码”之一。


图1 Sinhcaf通过kif26ab调控斑马鱼生殖质聚集和PGC特化的作用模式图
该研究团队通过构建斑马鱼sinhcaf基因敲除和过表达的家系,惊喜地发现sinhcaf基因敲除胚胎特化形成的原始生殖细胞数目减少,成年后性别偏向雄性,而sinhcaf过表达胚胎特化形成的原始生殖细胞数目增加,成年后性别偏向雌性。基因敲除家系中异位过表达sinhcaf可恢复突变体中原始生殖细胞数目和性别比例。

进一步对sinhcaf调控斑马鱼原始生殖细胞形成的分子机制进行研究,发现Sinhcaf是组蛋白去乙酰化酶复合体的组分之一,敲除sinhcaf后引起斑马鱼成熟期卵泡中组蛋白3乙酰化水平显著升高,伴随着驱动蛋白家族基因kif26ab表达显著下降,CHIP实验表明Sinhcaf能靶向结合在驱动蛋白基因kif26ab的转录调控区,且突变体中kif26ab转录调控区的组蛋白3乙酰化水平上调,体外实验发现Sinhcaf可促进kif26ab启动子驱动的基因转录,表明Sinhcaf 对kif26ab基因转录激活有直接调控作用。敲降kif26ab基因出现与sinhcaf敲除相似的表型,即聚集到分裂沟处的生殖质含量显著减少;而过表达kif26ab能部分拯救sinhcaf敲除导致的生殖质聚集障碍(图2)。


图2  斑马鱼sinhcaf发挥生殖质聚集和原始生殖细胞特化的功能由Kif26ab介导
该发现初步打开了生殖质是如何聚集并特化成为原始生殖细胞的一扇新窗,扩展了目前对组蛋白去乙酰化过程的生物学功能认知,对于深入理解原始生殖细胞特化形成的分子机制以及组蛋白去乙酰化在生殖干细胞形成及发育中的生物学功能有重要意义。另外,该研究有望为鱼类生殖操作精准育种技术开发提供新的思路。

水生所胡炜研究员为论文通讯作者,陶彬彬博士和胡红玲博士为论文共同第一作者, 加拿大渥太华大学Vance Trudeau教授,水生所朱作言院士,孙永华研究员、葛峰研究员、罗大极研究员,陈戟博士及博士研究生陈露参加了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体、中科院战略性先导科技专项、中科院国际伙伴计划及国家重点研发计划等项目的资助。
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