科研進(jìn)展
西北高原所在?Molecular Biology and Evolution?發(fā)表論文揭示基因組結(jié)構(gòu)變異在牛遠(yuǎn)緣雜交后代雄性不育中的潛在作用
雄性哺乳動(dòng)物體內(nèi)，精子是唯一能將親本遺傳和表觀遺傳信息傳遞給下一代的高度特化細(xì)胞。哺乳動(dòng)物精子發(fā)生是一個(gè)高度復(fù)雜的細(xì)胞分化過程，涉及生殖細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，包括精原細(xì)胞的增殖和分化、精母細(xì)胞的減數(shù)分裂和精子變形三個(gè)主要階段。相對(duì)于人和嚙齒動(dòng)物，家畜精子發(fā)生關(guān)鍵事件的分子調(diào)控不明確，涉及其中的細(xì)胞組成變化和基因表達(dá)動(dòng)態(tài)大多未知。以牛為代表的家養(yǎng)動(dòng)物為理解發(fā)生的保守性和差異性提供了獨(dú)特的模型，繪制其生精細(xì)胞的分子圖譜并剖析決定精子發(fā)生效率的關(guān)鍵因素，將有助于識(shí)別生育相關(guān)問題、發(fā)現(xiàn)新的雄性生育標(biāo)志分子、開發(fā)提升繁殖效率的新策略，也將有助于鑒定導(dǎo)致普通牛和牦牛雜交后代雄性不育的因果基因。
中國科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物繁育與功能基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)通過組織形態(tài)學(xué)、減數(shù)分裂進(jìn)程分析、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和基因組結(jié)構(gòu)變異檢測等實(shí)驗(yàn)，繪制了普通牛（Bos taurus）、牦牛（Bos grunniens）及其雜交后代犏牛和回交一代睪丸細(xì)胞各生精階段生殖細(xì)胞及體細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征，構(gòu)建了發(fā)育軌跡以確定不同生精細(xì)胞的命運(yùn)轉(zhuǎn)變，同時(shí)也檢測了牦牛和犏牛減數(shù)分裂中染色體參與的聯(lián)會(huì)和同源重組進(jìn)程，并篩選參與牛和牦牛雜種雄性不育的潛在調(diào)節(jié)因子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普通牛和牦牛睪丸中有7種精原細(xì)胞，10種精母細(xì)胞和11種精子細(xì)胞亞型。相比之下，犏牛的睪丸中僅含有7種精原細(xì)胞亞型和6種初級(jí)精母細(xì)胞亞型。值得注意的是，犏牛精母細(xì)胞在第一次減數(shù)分裂前期的雙線期到終變期轉(zhuǎn)變時(shí)的停滯伴隨著DNA雙鏈斷裂（Double-strand breaks, DSBs）修復(fù)的缺陷，且性小體在粗線期的形成受損。在回交一代的睪丸中，發(fā)現(xiàn)圓形精子和少量長性精子，表明生精阻滯現(xiàn)象得到顯著緩解。單精子注射試驗(yàn)結(jié)果表明，回交一代睪丸中的長型精子顯微授精后可支持胚胎發(fā)育。
研究團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合分析揭示了一系列可能在調(diào)控牛精原細(xì)胞分化、減數(shù)分裂和精子生成中發(fā)揮重要作用的基因。通過比較分析，發(fā)現(xiàn)42.23%的基因在犏牛生精細(xì)胞差異表達(dá)但在回交一代中恢復(fù)，其中精母細(xì)胞中68.72%的差異表達(dá)基因得到恢復(fù)。通過檢測X連鎖基因在粗線期及雙線期/次級(jí)精母細(xì)胞中的表達(dá)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有40余個(gè)基因在犏牛中高表達(dá)，但是在回交后代中的表達(dá)水平與普通牛和牦牛相當(dāng)，表明性染色體失活事件在犏牛粗線期精母細(xì)胞中發(fā)生異常，但在回交一代中得到恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)表明，減數(shù)分裂I前期的缺陷是犏牛精子發(fā)生失敗的主要原因，這些損傷很可能是由于生殖細(xì)胞中某些基因子集的失調(diào)所致。Dobzhansky-Muller模型預(yù)測，雜交不兼容源于至少兩個(gè)在雜交物種中獨(dú)立分化的基因之間的相互作用。因此，研究團(tuán)隊(duì)開展了轉(zhuǎn)錄組和基因組結(jié)構(gòu)變異聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)在回交一代中恢復(fù)表達(dá)的661個(gè)基因攜帶有基因組結(jié)構(gòu)變異，包括528個(gè)在犏牛生精細(xì)胞上調(diào)和133個(gè)下調(diào)基因。這些結(jié)構(gòu)變異在精原細(xì)胞中與上調(diào)基因有關(guān)而在精母細(xì)胞中與下調(diào)基因有關(guān)。利用牛精母細(xì)胞蛋白組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了115個(gè)在犏牛精母細(xì)胞中表現(xiàn)出差異蛋白質(zhì)豐度的基因。其中，24個(gè)攜帶基因組結(jié)構(gòu)變異的基因在犏牛精母細(xì)胞中差異表達(dá)，但在回交后代的精母細(xì)胞中恢復(fù)，其中包括TDRD１，CLGN，CKD５RAP２和DDHD1等在精子發(fā)生中功能已知的基因。上述研究為進(jìn)一步篩選影響犏牛精母細(xì)胞粗線期DSBs修復(fù)和性染色體失活的關(guān)鍵分子及其調(diào)控通路提供了數(shù)據(jù)集，從而在分子遺傳學(xué)層面為犏牛雄性不育的誘因探尋和遺傳矯正策略的制定奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，這項(xiàng)工作有助于闡明牛精子生成的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為大型哺乳動(dòng)物的精子發(fā)生提供了重要的見解，并為探索大型動(dòng)物物種形成和生殖隔離機(jī)制提供了重要信息。
相關(guān)研究結(jié)果以?Dynamic regulation of spermatogenesis and hybrid sterility revealed by single-cell analysis in yak and cattle?為題，于2026年2月2日在 Molecular Biology and Evolution（中國科學(xué)院1區(qū)TOP期刊）在線發(fā)表。西北高原所博士研究生伍仕鑫（已畢業(yè)）為論文第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1200405），國家自然科學(xué)基金（31972574 & U22A20447）和青海省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)（2025-ZJ-970T）項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：?https://doi.org/10.1093/molbev/msag027
論文代表圖1：普通牛和牦牛雜交后代和回交睪丸組織單細(xì)胞圖譜分析。A） 普通牛與牦牛雜交產(chǎn)生犏牛及其回交后代（BC1）的模型示意圖。B） 牦牛、家牛、犏牛及BC1的睪丸重量對(duì)比，比例尺 = 2 厘米；普通牛（n = 18）、牦牛（n = 21）、犏牛（n = 37）和BC1（n = 13）的睪丸重量進(jìn)行兩兩比較。C） 犏牛（左）和BC1（右）睪丸組織的蘇木精-伊紅（H&E）染色切片。比例尺 = 50 μm。在犏牛中未觀察到精母細(xì)胞階段以后的生精細(xì)胞，而與犏牛相比，BC1的生精缺陷有所緩解。SPG：精原細(xì)胞，SPC：精母細(xì)胞，RS：圓形精子細(xì)胞，ES：伸長精子細(xì)胞。D） 從BC1睪丸中分離出的精子細(xì)胞頂體染色。比例尺 = 10 μm。E & F） BC1精子細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)注射入牦牛卵母細(xì)胞后獲得了部分卵裂期胚胎和囊胚期胚胎；比例尺 = 50 μm。G） 犏牛生殖細(xì)胞的UMAP標(biāo)注圖，僅識(shí)別出兩種亞型：精原細(xì)胞和精母細(xì)胞。H） BC1生殖細(xì)胞的UMAP標(biāo)注圖，識(shí)別出精原細(xì)胞、精母細(xì)胞、圓形精子細(xì)胞和伸長精子細(xì)胞。I） 犏牛和BC1生殖細(xì)胞各簇中特定標(biāo)記基因的表達(dá)情況，可用于細(xì)胞類型鑒定。
論文代表圖2：普通牛、牦牛、犏牛及BC1各類生殖細(xì)胞亞型中攜帶基因組結(jié)構(gòu)變異的差異表達(dá)基因。A） 柱狀圖顯示在犏牛精原細(xì)胞和精母細(xì)胞各亞群中，具有結(jié)構(gòu)變異且表達(dá)上調(diào)或下調(diào)、但在BC1中表達(dá)得以恢復(fù)的基因數(shù)量。B） 代表性基因的小提琴圖及其結(jié)構(gòu)變異的示意圖。C） 柱狀圖顯示與牦牛和普通牛相比，在BC1各類精子細(xì)胞亞型中攜帶基因組結(jié)構(gòu)變異的差異表達(dá)基因數(shù)量。D） 對(duì)BC1精母細(xì)胞中所有表達(dá)水平恢復(fù)的差異表達(dá)基因，與犏牛精母細(xì)胞中的差異豐度蛋白進(jìn)行韋恩圖分析及GO富集分析。E） BC1精母細(xì)胞中所有表達(dá)恢復(fù)的差異表達(dá)基因、具有結(jié)構(gòu)變異的差異表達(dá)基因，以及犏牛精母細(xì)胞中所有差異豐度蛋白的韋恩圖分析。
