科研進展
西北高原所在?Molecular Biology and Evolution?發(fā)表論文揭示基因組結構變異在牛遠緣雜交后代雄性不育中的潛在作用
雄性哺乳動物體內，精子是唯一能將親本遺傳和表觀遺傳信息傳遞給下一代的高度特化細胞。哺乳動物精子發(fā)生是一個高度復雜的細胞分化過程，涉及生殖細胞命運轉變的動態(tài)調節(jié)，包括精原細胞的增殖和分化、精母細胞的減數分裂和精子變形三個主要階段。相對于人和嚙齒動物，家畜精子發(fā)生關鍵事件的分子調控不明確，涉及其中的細胞組成變化和基因表達動態(tài)大多未知。以牛為代表的家養(yǎng)動物為理解發(fā)生的保守性和差異性提供了獨特的模型，繪制其生精細胞的分子圖譜并剖析決定精子發(fā)生效率的關鍵因素，將有助于識別生育相關問題、發(fā)現新的雄性生育標志分子、開發(fā)提升繁殖效率的新策略，也將有助于鑒定導致普通牛和牦牛雜交后代雄性不育的因果基因。
中國科學院西北高原生物研究所動物繁育與功能基因組學團隊通過組織形態(tài)學、減數分裂進程分析、單細胞轉錄組和基因組結構變異檢測等實驗，繪制了普通牛（Bos taurus）、牦牛（Bos grunniens）及其雜交后代犏牛和回交一代睪丸細胞各生精階段生殖細胞及體細胞的轉錄特征，構建了發(fā)育軌跡以確定不同生精細胞的命運轉變，同時也檢測了牦牛和犏牛減數分裂中染色體參與的聯會和同源重組進程，并篩選參與牛和牦牛雜種雄性不育的潛在調節(jié)因子。結果發(fā)現，普通牛和牦牛睪丸中有7種精原細胞，10種精母細胞和11種精子細胞亞型。相比之下，犏牛的睪丸中僅含有7種精原細胞亞型和6種初級精母細胞亞型。值得注意的是，犏牛精母細胞在第一次減數分裂前期的雙線期到終變期轉變時的停滯伴隨著DNA雙鏈斷裂（Double-strand breaks, DSBs）修復的缺陷，且性小體在粗線期的形成受損。在回交一代的睪丸中，發(fā)現圓形精子和少量長性精子，表明生精阻滯現象得到顯著緩解。單精子注射試驗結果表明，回交一代睪丸中的長型精子顯微授精后可支持胚胎發(fā)育。
研究團隊通過聯合分析揭示了一系列可能在調控牛精原細胞分化、減數分裂和精子生成中發(fā)揮重要作用的基因。通過比較分析，發(fā)現42.23%的基因在犏牛生精細胞差異表達但在回交一代中恢復，其中精母細胞中68.72%的差異表達基因得到恢復。通過檢測X連鎖基因在粗線期及雙線期/次級精母細胞中的表達情況，結果發(fā)現，有40余個基因在犏牛中高表達，但是在回交后代中的表達水平與普通牛和牦牛相當，表明性染色體失活事件在犏牛粗線期精母細胞中發(fā)生異常，但在回交一代中得到恢復。這些發(fā)現表明，減數分裂I前期的缺陷是犏牛精子發(fā)生失敗的主要原因，這些損傷很可能是由于生殖細胞中某些基因子集的失調所致。Dobzhansky-Muller模型預測，雜交不兼容源于至少兩個在雜交物種中獨立分化的基因之間的相互作用。因此，研究團隊開展了轉錄組和基因組結構變異聯合分析，發(fā)現在回交一代中恢復表達的661個基因攜帶有基因組結構變異，包括528個在犏牛生精細胞上調和133個下調基因。這些結構變異在精原細胞中與上調基因有關而在精母細胞中與下調基因有關。利用牛精母細胞蛋白組數據，研究團隊鑒定了115個在犏牛精母細胞中表現出差異蛋白質豐度的基因。其中，24個攜帶基因組結構變異的基因在犏牛精母細胞中差異表達，但在回交后代的精母細胞中恢復，其中包括TDRD１，CLGN，CKD５RAP２和DDHD1等在精子發(fā)生中功能已知的基因。上述研究為進一步篩選影響犏牛精母細胞粗線期DSBs修復和性染色體失活的關鍵分子及其調控通路提供了數據集，從而在分子遺傳學層面為犏牛雄性不育的誘因探尋和遺傳矯正策略的制定奠定基礎。同時，這項工作有助于闡明牛精子生成的分子調控網絡，為大型哺乳動物的精子發(fā)生提供了重要的見解，并為探索大型動物物種形成和生殖隔離機制提供了重要信息。
相關研究結果以?Dynamic regulation of spermatogenesis and hybrid sterility revealed by single-cell analysis in yak and cattle?為題，于2026年2月2日在 Molecular Biology and Evolution（中國科學院1區(qū)TOP期刊）在線發(fā)表。西北高原所博士研究生伍仕鑫（已畢業(yè)）為論文第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1200405），國家自然科學基金（31972574 & U22A20447）和青海省自然科學基金團隊（2025-ZJ-970T）項目的資助。
論文鏈接：?https://doi.org/10.1093/molbev/msag027
論文代表圖1：普通牛和牦牛雜交后代和回交睪丸組織單細胞圖譜分析。A） 普通牛與牦牛雜交產生犏牛及其回交后代（BC1）的模型示意圖。B） 牦牛、家牛、犏牛及BC1的睪丸重量對比，比例尺 = 2 厘米；普通牛（n = 18）、牦牛（n = 21）、犏牛（n = 37）和BC1（n = 13）的睪丸重量進行兩兩比較。C） 犏牛（左）和BC1（右）睪丸組織的蘇木精-伊紅（H&E）染色切片。比例尺 = 50 μm。在犏牛中未觀察到精母細胞階段以后的生精細胞，而與犏牛相比，BC1的生精缺陷有所緩解。SPG：精原細胞，SPC：精母細胞，RS：圓形精子細胞，ES：伸長精子細胞。D） 從BC1睪丸中分離出的精子細胞頂體染色。比例尺 = 10 μm。E & F） BC1精子細胞胞質內注射入牦牛卵母細胞后獲得了部分卵裂期胚胎和囊胚期胚胎；比例尺 = 50 μm。G） 犏牛生殖細胞的UMAP標注圖，僅識別出兩種亞型：精原細胞和精母細胞。H） BC1生殖細胞的UMAP標注圖，識別出精原細胞、精母細胞、圓形精子細胞和伸長精子細胞。I） 犏牛和BC1生殖細胞各簇中特定標記基因的表達情況，可用于細胞類型鑒定。
論文代表圖2：普通牛、牦牛、犏牛及BC1各類生殖細胞亞型中攜帶基因組結構變異的差異表達基因。A） 柱狀圖顯示在犏牛精原細胞和精母細胞各亞群中，具有結構變異且表達上調或下調、但在BC1中表達得以恢復的基因數量。B） 代表性基因的小提琴圖及其結構變異的示意圖。C） 柱狀圖顯示與牦牛和普通牛相比，在BC1各類精子細胞亞型中攜帶基因組結構變異的差異表達基因數量。D） 對BC1精母細胞中所有表達水平恢復的差異表達基因，與犏牛精母細胞中的差異豐度蛋白進行韋恩圖分析及GO富集分析。E） BC1精母細胞中所有表達恢復的差異表達基因、具有結構變異的差異表達基因，以及犏牛精母細胞中所有差異豐度蛋白的韋恩圖分析。
