中國科學(xué)院西北高原所揭示牦牛遠緣雜交后代雄性不育的主要原因

　　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)能力以及較好的產(chǎn)肉、奶等優(yōu)良經(jīng)濟性狀。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，是探究哺乳動物生殖隔離分子機制和物種形成的天然模型。中國科學(xué)院西北高原生物研究所動物繁育與功能基因組學(xué)團隊在牦牛生精細胞發(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，利用細胞培養(yǎng)、減數(shù)分裂分析和蛋白組檢測等試驗，圍繞精原細胞發(fā)育和精母細胞減數(shù)分裂關(guān)鍵調(diào)控因子篩選和鑒定，獲得了階段性的重要進展。

 

　　精原細胞來源于在胎兒期形成的性原細胞。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胞。該研究通過檢測3月齡牦牛和犏牛睪丸組織內(nèi)支持細胞的轉(zhuǎn)錄特征發(fā)現(xiàn)：犏牛支持細胞的DNA甲基化修飾與牦牛存在顯著差異；402個基因在犏牛支持細胞中差異表達，包括膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（GDNF）和維甲酸（RA）合成的基因。GNDF是哺乳動物精原細胞維持的關(guān)鍵因子，而RA參與調(diào)控性原細胞發(fā)育和精原細胞分化。體外細胞培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，外源性GDNF顯著促進了精原細胞的增殖。同時，研究顯示，犏牛性原細胞和未分化精原細胞數(shù)量以及其中處于增殖狀態(tài)的細胞數(shù)量均顯著高于同齡牦牛，表明犏牛精原細胞的形成和命運決定受到了影響，這是導(dǎo)致生殖細胞數(shù)量減少的主要原因。

 

　　犏牛精子發(fā)生的另一缺陷是精母細胞減數(shù)分裂阻斷導(dǎo)致的凋亡。為描繪參與精母細胞減數(shù)分裂過程的分子圖譜，并尋找參與犏牛減數(shù)分裂的蛋白，科研團隊通過流式細胞術(shù)篩選純化了牦牛和犏牛精母細胞，并進行了蛋白組分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，452個蛋白在犏牛精母細胞中出現(xiàn)豐度差異，291個蛋白僅在牦牛精母細胞中表達。在犏牛中表達下調(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)；而牦牛獨特表達的蛋白，如MAGED1、TDRD5、SETX、ADAD1、YBX2、GTSF1、SYCE2和CDK1等，則參與細胞分裂和周期以及外源性凋亡信號通路調(diào)節(jié)。結(jié)合蛋白組和犏牛及其回交后代睪丸組織單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究篩選到一個在犏牛精母細胞中表達下調(diào)但在回交后代中的表達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。進一步分析發(fā)現(xiàn)，該基因在犏牛粗線期精母細胞中的表達顯著減少。這表明SLX4的表達失調(diào)，或?qū)е玛Ｍ粗亟M階段crossover的形成失敗和減數(shù)分裂的紊亂。

 

　　上述工作通過描繪牦牛生殖細胞和睪丸體細胞內(nèi)外源因子的表達圖譜為解析牛屬動物正常精子發(fā)生提供了重要數(shù)據(jù)，通過對比分析發(fā)現(xiàn)犏牛精原細胞形成異常和減數(shù)分裂缺陷是導(dǎo)致其不育的兩個原因。本研究發(fā)現(xiàn)的參與DNA雙鏈斷裂、聯(lián)會和同源重組等減數(shù)分裂關(guān)鍵事件的蛋白質(zhì)，為犏牛雄性不育機制解析和遺傳矯正策略研究奠定了基礎(chǔ)。

 

　　近日，相關(guān)研究成果分別以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、Reproduction in Domestic Animals上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和青海省自然科學(xué)基金團隊項目的支持。