哺乳動(dòng)物遠(yuǎn)緣雜交不育在自然界較為常見，在家養(yǎng)動(dòng)物中，具有代表性的是牦牛和普通牛的雜交后代——犏牛。雌性犏牛有正常的生育力而雄性由于精子發(fā)生阻斷完全不育。雖然科研人員自二十世紀(jì)80年代起就持續(xù)探索犏牛不育的機(jī)制，但導(dǎo)致其雜交不親和性的基因依然沒有得到確定。精準(zhǔn)解析不同類型生殖細(xì)胞基因表達(dá)特征是篩選雜交不育基因的必要過程。由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組測序忽略了不同細(xì)胞基因表達(dá)的異質(zhì)性，無法檢測單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)。目前，犏牛生殖細(xì)胞類型尚未得到精確鑒定，其發(fā)育過程中細(xì)胞命運(yùn)及狀態(tài)轉(zhuǎn)變的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)仍不清楚。

 

　　中國科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物生態(tài)與資源保護(hù)研究團(tuán)隊(duì)在前期對(duì)牦牛、普通牛和犏牛不同發(fā)育時(shí)期生精細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)12月齡牦牛和犏牛的睪丸組織進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序分析，結(jié)合已知生殖細(xì)胞標(biāo)記基因的表達(dá)情況，獲得了兩種動(dòng)物的生殖細(xì)胞發(fā)育軌跡和基因表達(dá)譜。結(jié)合標(biāo)記基因、細(xì)胞群高表達(dá)基因和擬時(shí)序分析結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)此發(fā)育階段的生殖細(xì)胞可以被定義為五種類型：未分化型精原細(xì)胞1、未分化型精原細(xì)胞2、分化型精原細(xì)胞1、分化型精原細(xì)胞2和精母細(xì)胞。和牦牛相比，犏牛的五種生殖細(xì)胞比例均存在明顯差異，其未分化型精原細(xì)胞比例減少，分化型精原細(xì)胞比例顯著增加，表明其精原細(xì)胞命運(yùn)決定過程存在異常。通過對(duì)各個(gè)生殖細(xì)胞亞型的進(jìn)一步比較，研究發(fā)現(xiàn)了一系列與細(xì)胞增殖和凋亡、精原細(xì)胞分化和減數(shù)分裂進(jìn)入相關(guān)的基因異常表達(dá)。除生殖細(xì)胞外，牦牛和犏牛的體細(xì)胞比例雖然存在差異，但是差異表達(dá)基因較少，尤其是支持細(xì)胞。支持細(xì)胞是生殖細(xì)胞直接接觸的唯一體細(xì)胞，在調(diào)控生殖細(xì)胞發(fā)育中發(fā)揮不可替代作用。在單細(xì)胞水平上，牦牛和犏牛支持細(xì)胞基因表達(dá)細(xì)胞無顯著差別，表明犏牛生殖細(xì)胞基因表達(dá)異常主要受內(nèi)源因素影響。通訊分析發(fā)現(xiàn)，犏牛的五種生殖細(xì)胞間接收和發(fā)送信號(hào)的能力降低，且與精子發(fā)生相關(guān)的EGF和FGF信號(hào)通路存在異常。體細(xì)胞與生殖細(xì)胞間的通訊在犏牛中存在異常，表現(xiàn)為生殖細(xì)胞接收到了更多的來自間質(zhì)細(xì)胞的信號(hào)。研究結(jié)果表明犏牛的精原細(xì)胞自我更新、分化和減數(shù)分裂進(jìn)入異常，這與基因表達(dá)異常和細(xì)胞通訊失調(diào)相關(guān)。該研究描繪了牦牛生殖細(xì)胞基因表達(dá)圖譜，發(fā)現(xiàn)了犏牛精原細(xì)胞命運(yùn)決定和減數(shù)分裂啟動(dòng)異常。研究結(jié)果為鑒定犏牛雄性不育因果基因提供了重要數(shù)據(jù)。

 

　　4月18日，相關(guān)研究成果以Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 為題，發(fā)表在Journal of Dairy Science上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青海省自然科學(xué)基金等的支持。