Front. Cell Dev. Biol.发表鱼类繁殖生物学研究最新成果,揭示鱼类和哺乳类卵子发生基本特征的保守性

2022-03-07 1102CNGBdb

鱼类卵子发生是一个涉及到多种内分泌和旁分泌途径的高度协调的过程,包括卵原细胞的自我更新和分化、卵母细胞的发育、卵母细胞的成熟和排卵等过程。2022年3月1日,中国水产科学研究院黄海水产研究所联合青岛华大基因研究院在Frontiers in cell and developmental biology上发表了题为"Single-cell atlas of the Chinese tongue sole (Cynoglossus semilaevis) ovary reveals transcriptional programs of oogenesis in fish" 的研究论文,揭示了硬骨鱼卵子发生中的动态基因表达特征,以及卵子发生在脊椎动物进化中保守的转录特征。

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此项研究的相关数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0002319 。

研究背景

鱼类卵子发生往往具有更高的环境适应性,相较于高等脊椎动物更为复杂。目前,大多数关于鱼类卵子发生的研究侧重于通过形态学观察到的卵母细胞成熟过程中的结构变化以及相关细胞因子的调节,鱼类卵巢的细胞组成、生殖细胞发育的动态分子调控以及生殖细胞和体细胞之间的复杂相互作用还未完全阐明。从卵生到胎生的转变是脊椎动物生命史中一个至关重要的进化过程。硬骨鱼的主要繁殖方式是卵生,营卵黄营养,而大多数哺乳动物是胎生,营母血营养。之前的研究表明,人类卵子发生相较于其他哺乳动物更加复杂,但人类和小鼠卵母细胞之间存在一些保守的基因表达特征。然而,目前尚不清楚具有不同繁殖模式的脊椎动物是否在进化中保留了卵子发生的基本特征。

材料和方法

本次研究中,研究团队取成年半滑舌鳎的卵巢组织进行细胞解离。然后利用华大自主研发的高通量单细胞平台DNBeLab C4 对半滑舌鳎卵巢细胞悬液进行单细胞转录组文库制备,并在华大自主的测序仪MGISEQ-2000上进行测序。

研究结果

半滑舌鳎卵巢单细胞转录图谱

半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)是一种具有非同步卵母细胞发育和分批产卵特征的硬骨鱼,在同一生长阶段的卵巢中存在不同发育阶段的卵母细胞。本研究首先通过聚类获得了半滑舌鳎卵巢的单细胞转录图谱,鉴定了三种不同发育状态的生殖细胞:早期卵原细胞、有丝分裂期卵原细胞、卵母细胞;五种体细胞:滤泡细胞、内皮细胞、巨噬细胞、T 细胞、红细胞,并揭示了各细胞类群的基因表达特征(图1)。

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生殖细胞发育中的动态基因表达模式

为了探索鱼类雌性生殖细胞的发育过程,本研究通过拟时序分析重现了鱼类卵子发生的时间进程。结果发现,早期卵原细胞、有丝分裂卵原细胞和卵母细胞遵循连续的发育轨迹,许多卵原干细胞标记物,有丝分裂相关基因以及减数分裂相关基因在拟时序轨迹的不同阶段富集,表明鱼类卵原干细胞发育为卵母细胞的过程中经历了从有丝分裂到减数分裂的转变。随后,为了找到促进鱼类生殖细胞状态转变的关键转录因子,研究人员对不同生殖细胞的转录本进行了差异分析,发现arid3a、znf407、zeb1、pou2f2、ikzf2、tcf21、zhx1、gtf3ab、znf706等转录因子可能在鱼类生殖细胞的发育中具有关键的驱动作用(图2)。

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硬骨鱼卵巢中滤泡细胞亚型的鉴定

滤泡细胞在卵母细胞成熟和排卵中起重要作用。成熟的鱼类卵母细胞被两个细胞层包围,一个是膜细胞层,一个是颗粒细胞层。为了探索鱼类滤泡细胞是否具有与哺乳动物相似的亚型,研究人员对滤泡细胞进行了重新聚类分析,鉴定了四种不同的颗粒细胞亚群(GC1、GC2、GC3、GC4)和一种膜细胞(Tc)。哺乳动物卵丘细胞的标记基因,如foxl2、inha和inhbb,在GC1中高表达,而哺乳动物壁颗粒细胞的标记基因,如krt8和krt18,在GC3中特异性表达。其他颗粒细胞标记基因如adamts1、fgfr4、sox9和tnfaip6在GC4中特异表达,雌激素合成相关基因如nr5a1和hsd3b1在Tc中高度表达(图3A,B,C)。随后,研究人员分析预测了在不同亚群中具有高调控活性的转录因子(图3D)。

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鱼类卵子发生中生殖细胞与体细胞的双向通讯

进一步,为了研究鱼类生殖细胞与体细胞的互作机制,研究者对生殖细胞和体细胞亚群进行细胞通讯分析,发现与哺乳动物卵子发生相似,鱼类生殖细胞和颗粒细胞之间存在广泛的双向相互作用,而在生殖细胞和膜细胞间仅存在由生殖细胞到膜细胞的单向作用。TGF-β信号通路和Notch信号通路被证明与哺乳动物卵子发生密切相关,本研究发现,TGF-β信号通路和Notch信号通路中的受体和配体分别在生殖细胞和颗粒细胞中表达,并且表达模式与哺乳动物中一致,证明了这两个通路在脊椎动物卵子发生中的保守性(图4)。

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不同颗粒细胞亚型在鱼类排卵过程中的协同调控作用

排卵是卵子发生中由颗粒细胞参与的最后一个关键事件。黄体生成素(LH)受体编码基因lhcgr在卵泡膜细胞中特异表达,表明卵泡膜细胞在排卵时最先响应激素刺激。这与之前对哺乳动物和鱼类的研究一致。此外,孕酮和前列腺素E2的受体pgr和ptger4b在GC3中高度表达,表明孕酮和前列腺素主要通过GC3影响鱼类排卵。Adamts1是一种蛋白质裂解酶,被证明在排卵中起重要作用。研究人员发现adamts1主要在GC4中表达,这表明GC4分泌的adamts1可能在鱼类排卵期间促进卵泡破裂。而ecm1在所有亚型中都有表达,表明adamts1作用于不同颗粒细胞从而诱导卵泡壁的破裂(图5)。

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鱼类和哺乳动物卵子发生保守的转录特征

为了更好地了解卵子发生在脊椎动物进化中保守的转录特征,研究人员将半滑舌鳎卵巢scRNA-seq数据集与已报道的食蟹猴早期卵巢的scRNA-seq数据集进行了比较,发现在半滑舌鳎卵巢生殖细胞和颗粒细胞的大多数差异表达基因与食蟹猴同源,并且这些同源基因显著富集于与卵子发生相关的生物过程(图6A)。此外,一些与卵子发生相关的同源基因,如zar1、sall4、ybx2、dnd1、meiob、gdf9、foxl2、fshr、wt1、hsd17b1、cdh1和bmpr2,在半滑舌鳎和食蟹猴卵巢细胞中表现出相似的基因表达模式(图6B,C)。

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结论&展望

基于半滑舌鳎卵巢的单细胞转录组测序,研究人员详细描述了鱼类卵子发生的转录特征,并揭示了鱼类和哺乳类卵子发生基本特征的保守性。这些发现为未来鱼类繁殖生物学的相关研究提供了参考,并有助于理解低等脊椎动物生殖策略的适应性和脊椎动物配子发生的共同规律。

原文链接:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2022.828124/full

信息来源:“华大时空”公众号

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