生殖細(xì)胞是多細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi)唯一能夠傳遞遺傳信息的載體，是物種延續(xù)和品種擴(kuò)繁的基礎(chǔ)。對(duì)于有性生殖的動(dòng)物而言，其生命誕生起始于精子與卵子的結(jié)合。無(wú)論精子或者卵子，均來(lái)源于胚胎期的原始生殖細(xì)胞（Primordial germ cells, PGCs）和幼體或成體性腺中的生殖干細(xì)胞（germline stem cells，GSCs），即生殖干祖細(xì)胞（germline stem and progenitor cells，GSPCs）。GSPCs的自我更新和分化是配子發(fā)生和性腺分化的關(guān)鍵，對(duì)這一機(jī)制開(kāi)展創(chuàng)新性研究，不僅是發(fā)育生物學(xué)和生殖生物學(xué)的重要命題，而且是種業(yè)創(chuàng)新的重大需求。 

　　線粒體被稱(chēng)為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，通過(guò)有氧呼吸和氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP），為細(xì)胞活動(dòng)提供能量。線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，不斷進(jìn)行融合（fusion）和分裂（fission）形成動(dòng)態(tài)平衡，這對(duì)于線粒體穩(wěn)態(tài)及其功能發(fā)揮至關(guān)重要。已有研究表明，線粒體穩(wěn)態(tài)參與調(diào)控干細(xì)胞的命運(yùn)維持和分化。然而，是否存在著GSPCs特異的線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制，以及線粒體動(dòng)態(tài)是如何作用于GSPCs的命運(yùn)決定，尚不清楚。 

　　中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所孫永華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事魚(yú)類(lèi)生殖細(xì)胞發(fā)育相關(guān)研究，揭示了調(diào)控魚(yú)類(lèi)性腺發(fā)育和配子發(fā)生的多個(gè)新因子及其作用機(jī)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(shù)(Zhang et al. 2020a; Zhang et al. 2022)。最近，孫永華團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳振夏團(tuán)隊(duì)以斑馬魚(yú)為模型，通過(guò)生物信息學(xué)挖掘和實(shí)驗(yàn)生物學(xué)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在生殖細(xì)胞中特異表達(dá)的線粒體融合調(diào)控因子Pld6。Pld6的缺失導(dǎo)致生殖細(xì)胞中線粒體動(dòng)態(tài)失衡，線粒體形態(tài)及功能發(fā)生嚴(yán)重缺陷，進(jìn)一步導(dǎo)致GSPCs命運(yùn)的維持和分化受阻，最終形成缺乏生殖細(xì)胞的空巢精巢。這一研究揭示了生殖細(xì)胞特異的線粒體融合事件對(duì)于生殖細(xì)胞命運(yùn)決定的重要作用，為魚(yú)類(lèi)生殖細(xì)胞發(fā)育的調(diào)控機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。 

　　研究者首先對(duì)性腺分化階段的精卵巢進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)線粒體組裝以及氧化磷酸化相關(guān)基因在卵巢中的轉(zhuǎn)錄水平顯著高于精巢，提示GSPCs向卵子的分化需要更強(qiáng)的線粒體供能。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)精卵巢的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)控線粒體融合的關(guān)鍵因子pld6不僅在卵巢組織高表達(dá)，而且特異表達(dá)于包括GSPCs在內(nèi)的生殖細(xì)胞中（圖1）。

圖1 發(fā)現(xiàn)線粒體融合調(diào)控因子pld6特異表達(dá)于生殖細(xì)胞譜系

　　隨后，研究者建立pld6缺失的斑馬魚(yú)突變體模型，結(jié)果純合突變體全部發(fā)育為不可育的雄性，組織學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究顯示純合突變體性腺中的生殖細(xì)胞完全丟失。對(duì)突變性腺的發(fā)育進(jìn)行時(shí)序追蹤和研究，發(fā)現(xiàn)pld6缺失的GSPCs既無(wú)法通過(guò)有絲分裂進(jìn)行增殖，也無(wú)法通過(guò)減數(shù)分裂進(jìn)行分化，從而在性腺發(fā)育早期即走向細(xì)胞凋亡途徑。進(jìn)一步研究揭示，突變體GSPCs中線粒體動(dòng)態(tài)失衡，線粒體拷貝數(shù)以及ATP合成均顯著減少，同時(shí)生殖細(xì)胞中特有的線粒體云（mitochondria-nuage）在突變體GSPCs中缺失，進(jìn)而導(dǎo)致piRNA的合成受阻（圖2）。因此，該研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的特異存在于生殖細(xì)胞中的線粒體融合調(diào)控因子，并揭示了其調(diào)控了魚(yú)類(lèi)GSPCs命運(yùn)維持與分化的分子和細(xì)胞學(xué)機(jī)制。

圖2 Pld6通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控生殖干祖細(xì)胞命運(yùn)維持與分化的作用機(jī)制

　　該研究近日以“一個(gè)生殖細(xì)胞特異的線粒體融合因子調(diào)控生殖干祖細(xì)胞的維持與分化”為題，在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Advanced Science。水生所魚(yú)類(lèi)發(fā)育與生物技術(shù)學(xué)科組張茹博士和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)陳振夏教授為共同通訊作者。水生所葉鼎副研究員和復(fù)旦大學(xué)粵港澳大灣區(qū)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院顧正龍教授參與研究。該研究得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等資助。文中構(gòu)建的pld6突變體已保藏至國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)國(guó)家斑馬魚(yú)資源中心。 

　　全文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202203631 

　　相關(guān)文獻(xiàn)： 

　　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.