AI視頻 | 為何雄性犏牛不能生育？研究鎖定“嫌疑基因”

▲研究揭示牛遠(yuǎn)緣雜交后代雄性不育的分子機(jī)制（視頻由AI生成）

犏牛是牦牛與普通牛的種間雜交后代。犏牛繼承了牦牛對(duì)高寒、缺氧環(huán)境的適應(yīng)力，又具備普通牛較高的產(chǎn)肉、產(chǎn)奶性能，雜交優(yōu)勢(shì)顯著。但是，雄性犏牛普遍存在生育缺陷，制約了其作為優(yōu)良畜種的培育與利用。同時(shí)，犏牛也成為了探究哺乳動(dòng)物生殖隔離分子機(jī)制和物種形成的“天然模型”。

近日，中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多組學(xué)技術(shù)，繪制出牛生精細(xì)胞的分子圖譜，剖析了決定精子發(fā)生效率的關(guān)鍵因素，并初步探究了牦牛遠(yuǎn)緣雜交后代生育缺陷的關(guān)鍵因子。

01

繪制精細(xì)的“細(xì)胞地圖”

哺乳動(dòng)物的精子發(fā)生是一個(gè)高度復(fù)雜的細(xì)胞分化過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)繪制了普通牛、牦牛、犏牛及其回交一代（BC1）睪丸細(xì)胞各生精階段生殖細(xì)胞及體細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征圖譜，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。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在普通牛和牦牛睪丸中，存在7種精原細(xì)胞、10種精母細(xì)胞和11種精子細(xì)胞亞型。犏牛睪丸中僅鑒定出7種精原細(xì)胞亞型和6種初級(jí)精母細(xì)胞亞型，表明其生精過(guò)程在精母細(xì)胞階段就發(fā)生了嚴(yán)重阻滯。

相比之下，在BC1睪丸中可以觀察到圓形精子和少量長(zhǎng)形精子；細(xì)胞注釋發(fā)現(xiàn)，各細(xì)胞亞型數(shù)量與普通牛和牦牛相似，表明生精阻滯現(xiàn)象得到顯著緩解。

02

減數(shù)分裂的“管制”失靈

研究團(tuán)隊(duì)追蹤發(fā)現(xiàn)，犏牛的生精障礙具體發(fā)生在減數(shù)分裂Ⅰ前期的雙線期到終變期。在這一關(guān)鍵階段，犏牛精母細(xì)胞中DNA雙鏈斷裂（DSBs）修復(fù)存在缺陷，導(dǎo)致染色體無(wú)法正常重組。此外，性小體在粗線期的形成受損。

研究發(fā)現(xiàn)，犏牛細(xì)胞里有40余個(gè)X染色體基因在犏牛中異常高表達(dá)。而在回交一代中，這些X連鎖基因的表達(dá)水平恢復(fù)正常，與減數(shù)分裂阻滯的緩解一致。

03

定位“沖突基因”

模型預(yù)測(cè)提示，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。為了找到這些“沖突基因”，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和基因組結(jié)構(gòu)變異的聯(lián)合分析。

研究發(fā)現(xiàn)，在回交一代中恢復(fù)表達(dá)的661個(gè)基因攜帶基因組結(jié)構(gòu)變異。這些結(jié)構(gòu)變異在犏牛中擾亂了基因的正常表達(dá)：在精原細(xì)胞中導(dǎo)致基因異常上調(diào)，而在精母細(xì)胞中引發(fā)基因異常下調(diào)。

通過(guò)整合蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)最終篩選出24個(gè)關(guān)鍵“嫌疑基因”。這些基因在犏牛精母細(xì)胞中無(wú)論是mRNA表達(dá)還是蛋白質(zhì)豐度均出現(xiàn)異常，但在回交一代中又回歸正常。

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，為犏牛雄性不育的誘因探尋和遺傳矯正策略的制定奠定了基礎(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。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/molbev/msag027

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所

責(zé)任編輯：梁春雨