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卵生動物的早期胚胎發育主要依賴于卵黃囊中儲存的物質，即卵黃物質。卵黃物質形成于卵母細胞的發育階段，因此也被稱為母源物質，其主要包括母源RNA、蛋白質、脂質等。在胚胎發育期間，母源物質直接或者間接地被發育中的胚胎所利用。有關母源RNA或蛋白質調控胚胎早期發育，已經有相當多的研究，但是母源脂質如何被胚胎發育所有效利用并調控胚胎發育，其作用機制仍不清晰。一方面，作為卵生動物的代表，魚類在開口攝食之前的胚胎發育完全依賴于母源的卵黃物質及其代謝產物，是研究母源脂質調控胚胎發育的良好模型；另一方面，在養殖魚類繁育實踐中，卵黃能否被有效吸收利用，仔魚能否正常開口攝食，實現胚胎從內源營養到外源營養的過渡，是影響胚胎孵化率、魚苗成活率和養殖效益的瓶頸要素。因此，利用斑馬魚模型開展胚胎“內源-外源營養轉換（endogenous-to-exogenous nutrient source transition,eeNST）”機制研究，有著重要的理論意義和應用價值。
中國科學院水生生物研究所孫永華團隊長期致力于魚類生殖細胞發育及其育種生物技術研究。在前期的研究中，該團隊發現了母源Nanog在卵子發生過程中通過全局性翻譯控制促進卵子發生和卵子質量（He et al.,Development,2022）（研究進展 | 水生所揭示母源因子Nanog通過翻譯控制促進魚類卵子發生和卵子質量的新機制），在受精后通過蛋白互作調控母源β-catenin活性以確保胚胎背腹軸正常形成的新機制（He et al.,PLOS Biology,2020）（研究進展 | 水生所在魚類母源因子與胚胎發育和生殖細胞操作研究中取得系列重要進展）。通過構建二十二碳六烯酸（DHA）內源合成缺陷的elovl2突變體（Liu et al.,Mar Biotechnol,2020）和DHA內源合成增強的fat1轉基因系（Pang et al.,Mar Biotechnol,2014），初步發現內源合成的DHA可以通過DHA-cyp11a1-P5軸促進卵母細胞中微管組裝以提升卵子質量（Li et al.,Zool Res,2024）（研究進展 | 水生所發現內源合成DHA促進魚類肝臟脂質穩態和卵子質量的新機制）。
2024年11月12日，孫永華團隊在國際學術期刊Nature Communications上發表了題為“Intestinal DHA-PA-PG axis promotes digestive organ expansion by mediating usage of maternally-deposited yolk lipids”的研究論文。該論文利用斑馬魚模型，發現eeNST階段的胚胎原始腸道中存在一個“DHA-PA（磷脂酸）-PG（磷脂酰甘油）軸”，其調控了母源脂質的吸收利用并促進內胚層器官的擴張，從而協助胚胎順利完成eeNST轉換。
為研究長鏈多不飽和脂肪酸（long-chain polyunsaturated fatty acids，LC-PUFAs）在卵黃脂質吸收調控中的作用機制，研究團隊首先分析了eeNST之前胚胎中LC-PUFAs的動態變化，發現omega-3 PUFAs（n-3 PUFAs）含量伴隨著胚胎發育顯著上升，表明此時的胚胎存在著旺盛的脂質重塑。對胚胎期的原始腸道和肝臟RNA-seq數據進行分析，發現參與LC-PUFA合成的hsd17b12a基因在原始腸道中高表達。隨后，他們利用近期建立的CRISPR/Cas9與iPGC誘導相結合的基因敲入技術（Wang et al.,Nature Communications,2023）(研究進展 | 水生所取得魚類誘導型原始生殖細胞理論和技術的突破)，構建了myc蛋白標簽和mCherry基因標記的hsd17b12a基因敲入品系，發現Hsd17b12a在原始腸道上皮細胞中特異性表達（圖1），且脂肪酸延長所需的其他酶編碼基因也在腸道上皮細胞中特異表達，這提示原始腸道具備脂肪酸延長的能力。
圖1. Hsd17b12a特異表達于原始腸道上皮細胞且定位于內質網
進一步，他們利用CRISPR/Cas9技術構建了hsd17b12a敲除品系，發現hsd17b12a缺失導致原始腸道的LC-PUFA合成缺陷，最終引起胚胎卵黃吸收不全且魚鰾充氣障礙，全部死亡，無法順利度過eeNST轉換（圖2）。研究團隊發現突變體原始腸道的結構和功能都出現障礙，且其消化器官外分泌胰腺和肝臟的擴張顯著受阻，hsd17b12a突變導致卵黃脂質堆積的主要原因是卵黃脂質向原始腸道的轉運受阻。
圖2? hsd17b12a突變體eeNST轉換失敗
為探究消化器官發育缺陷和擴張受阻的分子機制，研究者分離了hsd17b12a突變體和野生型（WT）的肝臟、胰腺和腸道，并開展了單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析，結果顯示原始腸道中的鐵死亡信號通路被顯著激活，并且hsd17b12a陽性的腸道上皮細胞具有甘油磷脂代謝功能。通過Fer-1抑制鐵死亡信號，可以部分拯救內胚層器官擴張和卵黃吸收缺陷，這表明原始腸道的鐵死亡是內胚層器官擴張受阻的重要原因。
為了進一步探討原始腸道脂質代謝在消化器官擴張缺陷及鐵死亡的作用機制，研究者對hsd17b12a突變體和WT進行了脂質組學分析，結果發現原始腸道中存在一條DHA-PA-PG代謝軸。通過一系列拯救實驗，研究者發現DHA-PA-PG軸受損是腸道鐵死亡和消化器官擴張受阻的重要原因。該研究揭示了胚胎原始腸道中DHA-PA-PG軸調控母源脂質利用和消化器官擴張的新機制，hsd17b12a突變導致DHA-PA-PG軸受損和胚胎內源-外源營養轉換（eeNST）失敗（圖3）。
圖3? DHA-PA-PG軸調控母源脂質利用和內源-外源營養轉換的作用示意
以上論文，水生所陳正芳博士為第一作者，孫永華研究員為通訊作者，何牡丹副研究員、王厚鵬實驗師、博士生李雪徽等共同參與了此項研究，單細胞測序分析和脂質組分析分別得到上海海洋大學胡鵬教授和中國科學院遺傳與發育生物學研究所稅光厚研究員的協助。該項研究得到了國家杰出青年科學基金、中國科學院戰略性先導專項等資助。文中構建的斑馬魚品系已保藏至國家水生生物種質資源庫國家斑馬魚資源中心。
參考文獻：
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He,M.,Jiao,S.,Zhang,R.,Ye,D.,Wang,H.,and Sun,Y. (2022). Translational control by maternal Nanog promotes oogenesis and early embryonic development. Development 149. 10.1242/dev.201213.
Li,Y.,Li,X.,Ye,D.,Zhang,R.,Liu,C.,He,M.,Wang,H.,Hu,W.,and Sun,Y. (2024). Endogenous biosynthesis of docosahexaenoic acid (DHA) regulates fish oocyte maturation by promoting pregnenolone production.ZOOLOGICALRESEARCH 45,176-188. 10.24272/j.issn.2095-8137.2023.032.
Liu,C.,Ye,D.,Wang,H.,He,M.,and Sun,Y. (2020). Elovl2 But Not Elovl5 Is Essential for the Biosynthesis of Docosahexaenoic Acid (DHA) in Zebrafish: Insight from a Comparative Gene Knockout Study. Mar Biotechnol (NY) 22,613-619. 10.1007/s10126-020-09992-1.
Pang,S.C.,Wang,H.P.,Li,K.Y.,Zhu,Z.Y.,Kang,J.X.,and Sun,Y.H. (2014). Double Transgenesis of Humanized fat1 and fat2 Genes Promotes Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids Synthesis in a Zebrafish Model. Mar Biotechnol (NY) 16,580-593. 10.1007/s10126-014-9577-9.
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54258-2