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生殖細胞是多細胞動物體內唯一能夠傳遞遺傳信息的載體，是物種延續和品種擴繁的基礎。對于有性生殖的動物而言，其生命誕生起始于精子與卵子的結合。無論精子或者卵子，均來源于胚胎期的原始生殖細胞（Primordial germ cells, PGCs）和幼體或成體性腺中的生殖干細胞（germline stem cells，GSCs），即生殖干祖細胞（germline stem and progenitor cells，GSPCs）。GSPCs的自我更新和分化是配子發生和性腺分化的關鍵，對這一機制開展創新性研究，不僅是發育生物學和生殖生物學的重要命題，而且是種業創新的重大需求。
線粒體被稱為細胞的“動力工廠”，通過有氧呼吸和氧化磷酸化產生三磷酸腺苷（ATP），為細胞活動提供能量。線粒體是高度動態的細胞器，不斷進行融合（fusion）和分裂（fission）形成動態平衡，這對于線粒體穩態及其功能發揮至關重要。已有研究表明，線粒體穩態參與調控干細胞的命運維持和分化。然而，是否存在著GSPCs特異的線粒體動態調控機制，以及線粒體動態是如何作用于GSPCs的命運決定，尚不清楚。
中國科學院水生生物研究所孫永華團隊長期從事魚類生殖細胞發育相關研究，揭示了調控魚類性腺發育和配子發生的多個新因子及其作用機制(He et al. 2020; Zhang et al. 2020b; Wang et al. 2022; Xie et al. 2022)，并建立了同種或異種GSPC移植借腹生殖技術(Zhang et al. 2020a; Zhang et al. 2022)。最近，孫永華團隊與華中農業大學陳振夏團隊以斑馬魚為模型，通過生物信息學挖掘和實驗生物學驗證，發現了一個在生殖細胞中特異表達的線粒體融合調控因子Pld6。Pld6的缺失導致生殖細胞中線粒體動態失衡，線粒體形態及功能發生嚴重缺陷，進一步導致GSPCs命運的維持和分化受阻，最終形成缺乏生殖細胞的空巢精巢。這一研究揭示了生殖細胞特異的線粒體融合事件對于生殖細胞命運決定的重要作用，為魚類生殖細胞發育的調控機制提供了新的見解。
研究者首先對性腺分化階段的精卵巢進行轉錄組分析，發現線粒體組裝以及氧化磷酸化相關基因在卵巢中的轉錄水平顯著高于精巢，提示GSPCs向卵子的分化需要更強的線粒體供能。進一步通過對精卵巢的單細胞轉錄組分析發現，調控線粒體融合的關鍵因子pld6不僅在卵巢組織高表達，而且特異表達于包括GSPCs在內的生殖細胞中（圖1）。
圖1 發現線粒體融合調控因子pld6特異表達于生殖細胞譜系
隨后，研究者建立pld6缺失的斑馬魚突變體模型，結果純合突變體全部發育為不可育的雄性，組織學和細胞生物學研究顯示純合突變體性腺中的生殖細胞完全丟失。對突變性腺的發育進行時序追蹤和研究，發現pld6缺失的GSPCs既無法通過有絲分裂進行增殖，也無法通過減數分裂進行分化，從而在性腺發育早期即走向細胞凋亡途徑。進一步研究揭示，突變體GSPCs中線粒體動態失衡，線粒體拷貝數以及ATP合成均顯著減少，同時生殖細胞中特有的線粒體云（mitochondria-nuage）在突變體GSPCs中缺失，進而導致piRNA的合成受阻（圖2）。因此，該研究發現一個新的特異存在于生殖細胞中的線粒體融合調控因子，并揭示了其調控了魚類GSPCs命運維持與分化的分子和細胞學機制。
圖2 Pld6通過調節線粒體動態調控生殖干祖細胞命運維持與分化的作用機制
該研究近日以“一個生殖細胞特異的線粒體融合因子調控生殖干祖細胞的維持與分化”為題，在線發表于國際學術期刊Advanced Science。水生所魚類發育與生物技術學科組張茹博士和華中農業大學博士生涂懿璇為該文并列第一作者，水生所孫永華研究員是該文通訊作者，華中農業大學陳振夏教授為共同通訊作者。水生所葉鼎副研究員和復旦大學粵港澳大灣區精準醫學研究院顧正龍教授參與研究。該研究得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金創新研究群體、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項等資助。文中構建的pld6突變體已保藏至國家水生生物種質資源庫國家斑馬魚資源中心。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202203631
相關文獻：
He M, Zhang R, Jiao S, Zhang F, Ye D, Wang H, Sun Y. 2020. Nanog safeguards early embryogenesis against global activation of maternal β-catenin activity by interfering with TCF factors. PLOS Biology 18: e3000561.
Wang Y, Ye D, Zhang F, Zhang R, Zhu J, Wang H, He M, Sun Y. 2022. Cyp11a2 Is Essential for Oocyte Development and Spermatogonial Stem Cell Differentiation in Zebrafish. Endocrinology 163. bqab258
Xie H, Wang X, Jin M, Li L, Zhu J, Kang Y, Chen Z, Sun Y, Zhao C. 2022. Cilia regulate meiotic recombination in zebrafish. Journal of Molecular Cell Biology doi:10.1093/jmcb/mjac049.
Zhang F, Hao Y, Li X, Li Y, Ye D, Zhang R, Wang X, He M, Wang H, Zhu Z et al. 2022. Surrogate production of genome-edited sperm from a different subfamily by spermatogonial stem cell transplantation. Science China Life sciences 65: 969-987.
Zhang F, Li X, He M, Ye D, Xiong F, Amin G, Zhu Z, Sun Y. 2020a. Efficient generation of zebrafish maternal-zygotic mutants through transplantation of ectopically induced and Cas9/gRNA targeted primordial germ cells. Journal of Genetics and Genomics 47: 37-47.
Zhang Q, Ye D, Wang H, Wang Y, Hu W, Sun Y. 2020b. Zebrafish cyp11c1 Knockout Reveals the Roles of 11-ketotestosterone and Cortisol in Sexual Development and Reproduction. Endocrinology 161: bqaa048.