生殖細胞是多細胞動(dòng)物體內唯一能夠傳遞遺傳信息的載體，是物種延續和品種擴繁的基礎。對于有性生殖的動(dòng)物而言，其生命誕生起始于精子與卵子的結合。無(wú)論精子或者卵子，均來(lái)源于胚胎期的原始生殖細胞（Primordial germ cells, PGCs）和幼體或成體性腺中的生殖干細胞（germline stem cells，GSCs），即生殖干祖細胞（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，對這一機制開(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(xiàn)粒體被稱(chēng)為細胞的“動(dòng)力工廠(chǎng)”，通過(guò)有氧呼吸和氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP），為細胞活動(dòng)提供能量。線(xiàn)粒體是高度動(dòng)態(tài)的細胞器，不斷進(jìn)行融合（fusion）和分裂（fission）形成動(dòng)態(tài)平衡，這對于線(xiàn)粒體穩態(tài)及其功能發(fā)揮至關(guān)重要。已有研究表明，線(xiàn)粒體穩態(tài)參與調控干細胞的命運維持和分化。然而，是否存在著(zhù)GSPCs特異的線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)調控機制，以及線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)是如何作用于GSPCs的命運決定，尚不清楚。 

　　中國科學(xué)院水生生物研究所孫永華團隊長(cháng)期從事魚(yú)類(lèi)生殖細胞發(fā)育相關(guān)研究，揭示了調控魚(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，孫永華團隊與華中農業(yè)大學(xué)陳振夏團隊以斑馬魚(yú)為模型，通過(guò)生物信息學(xué)挖掘和實(shí)驗生物學(xué)驗證，發(fā)現了一個(gè)在生殖細胞中特異表達的線(xiàn)粒體融合調控因子Pld6。Pld6的缺失導致生殖細胞中線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)失衡，線(xiàn)粒體形態(tài)及功能發(fā)生嚴重缺陷，進(jìn)一步導致GSPCs命運的維持和分化受阻，最終形成缺乏生殖細胞的空巢精巢。這一研究揭示了生殖細胞特異的線(xiàn)粒體融合事件對于生殖細胞命運決定的重要作用，為魚(yú)類(lèi)生殖細胞發(fā)育的調控機制提供了新的見(jiàn)解。 

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

圖1 發(fā)現線(xiàn)粒體融合調控因子pld6特異表達于生殖細胞譜系

　　隨后，研究者建立pld6缺失的斑馬魚(yú)突變體模型，結果純合突變體全部發(fā)育為不可育的雄性，組織學(xué)和細胞生物學(xué)研究顯示純合突變體性腺中的生殖細胞完全丟失。對突變性腺的發(fā)育進(jìn)行時(shí)序追蹤和研究，發(fā)現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)減數分裂進(jìn)行分化，從而在性腺發(fā)育早期即走向細胞凋亡途徑。進(jìn)一步研究揭示，突變體GSPCs中線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)失衡，線(xiàn)粒體拷貝數以及ATP合成均顯著(zhù)減少，同時(shí)生殖細胞中特有的線(xiàn)粒體云（mitochondria-nuage）在突變體GSPCs中缺失，進(jìn)而導致piRNA的合成受阻（圖2）。因此，該研究發(fā)現一個(gè)新的特異存在于生殖細胞中的線(xiàn)粒體融合調控因子，并揭示了其調控了魚(yú)類(lèi)GSPCs命運維持與分化的分子和細胞學(xué)機制。

圖2 Pld6通過(guò)調節線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)調控生殖干祖細胞命運維持與分化的作用機制

　　該研究近日以“一個(gè)生殖細胞特異的線(xiàn)粒體融合因子調控生殖干祖細胞的維持與分化”為題，在線(xiàn)發(fā)表于國際學(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旦大學(xué)粵港澳大灣區精準醫學(xué)研究院顧正龍教授參與研究。該研究得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項等資助。文中構建的pld6突變體已保藏至國家水生生物種質(zhì)資源庫國家斑馬魚(yú)資源中心。 

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

　　相關(guān)文獻： 

　　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.