中国海大赵呈天组与水生所孙永华组合作揭示纤毛调控减数分裂进程的新机制

赵呈天组长期从事纤毛相关的发育学研究，课题组前期在研究精子鞭毛发生的过程中，发现了转录因子E2f5通过激活减数分裂中的关键重组酶Dmc1，进而调控减数分裂的进程[1]。在研究过程中，课题组发现斑马鱼初级精母细胞在减数分裂前期存在特有的纤毛结构（图1）。纤毛作为突出于真核细胞表面的细胞器，在机体运动、机械感知、信号转导等方面具有重要的功能[2]。然而，在此之前并没有任何报道显示初级精母细胞上存在纤毛。

孙永华组长期从事生殖细胞发育和早期胚胎发育的研究，前期建立了生殖细胞靶向的基因表达调控技术[3]。为探究该初级精母细胞中纤毛的功能，赵呈天组和孙永华组合作，建立了一种在生殖细胞中条件性敲除特定基因的技术体系：通过利用原始生殖细胞（PGC）特异的启动子Kop启动Cas9基因的表达，同时构建带有三串联gRNA的转基因品系，获得了具有完全在PGC中特异敲除纤毛发生相关基因kif3a的Tg(kop:cas9-UTRnanos3; U6:3xsgRNA-kif3a)转基因品系。通过该方法可迅速获得母源合子缺失的斑马鱼纤毛突变体子代胚胎（MZkif3a），结果表明Kif3a母源蛋白的缺失会导致脑积水、体轴弯曲加重等表型。同时，在双转基因亲本成鱼中，由于生殖细胞特异的kif3a基因敲除，导致初级精母细胞的纤毛完全缺失。进一步研究表明，纤毛形成缺陷会导致精母细胞同源染色体联会过程中双链断裂修复受阻、发生交换（crossover）频率减少以及精母细胞凋亡等缺陷（图2）。最后，研究发现该纤毛不仅存在于精母细胞中，在初级卵母细胞中同样存在。总之，本研究揭示了纤毛的一个以前未被发现的作用，暗示细胞外信号可能通过这个特殊的细胞器调节减数分裂重组的进程。

在该工作投稿过程中，Science期刊也报道了以色列耶路撒冷希伯来大学Elkouby课题组关于纤毛在减数分裂中的新功能，该研究同样指出在斑马鱼卵母细胞中存在纤毛，其发育缺陷可导致联会过程中Bouquet形成受阻，进而导致卵子发育异常[4]。然而，该研究和本研究结论有着诸多不同之处：譬如，Elkouby课题组认为该纤毛的缺失会导致卵的发育出现畸形，然而本研究发现该纤毛的缺失对减数分裂进程具有一定的抑制作用，但并未完全阻止精卵配子的发育，多数卵子可以正常发育。类似的，Alexander Schier课题组早年利用生殖细胞移植技术（germline replacement）构建了另一纤毛突变体，结果表明缺失纤毛基因的雌鱼中卵子形成同样并无明显异常[5]。一个重要区别是，该Science论文中所用到的突变体均为中心体（纤毛基体）相关蛋白（Cep290、Cc2d2a等），这些基因缺陷本身也可导致中心体发育异常，进而影响细胞分裂；同时，该研究用到的突变体均为全身突变，减数分裂的异常有可能是由于非细胞自主性原因所导致。与该研究不同，本研究建立了一种在生殖细胞中特异敲除纤毛发生相关基因  kif3a的方法，更为明确地指出了纤毛在减数分裂过程中的生理功能，但其具体作用机制仍需继续深入探讨。

中国海洋大学博士后谢海波和中国科学院水生生物研究所博士后王小四为该文的共同第一作者。该研究获得了国家自然科学基金重大项目、国家杰出青年科学基金项目等资助，研究中所用到的生殖细胞特异表达Cas9的转基因品系已提交至国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心保藏。

参考文献：

1. Xie, H., et al., E2f5 is a versatile transcriptional activator required for spermatogenesis and multiciliated cell differentiation in zebrafish. PLoS Genet, 2020. 16(3): p. e1008655.

2. Ishikawa, H. and W.F. Marshall, Ciliogenesis: building the cell's antenna. Nat Rev Mol Cell Biol, 2011. 12(4): p. 222-34.

3. Xiong, F., et al., Targeted Expression in Zebrafish Primordial Germ Cells by Cre/loxP and Gal4/UAS Systems. Mar Biotechnol (NY), 2013. 15(5): p. 526-39.

4. Mytlis, A., et al., Control of meiotic chromosomal bouquet and germ cell morphogenesis by the zygotene cilium. Science, 2022. 376(6599): p. eabh3104.

5. Huang, P. and A.F. Schier, Dampened Hedgehog signaling but normal Wnt signaling in zebrafish without cilia. Development, 2009. 136(18): p. 3089-98.