西北高原所在牦牛遠緣雜交后代雄性不育機理解析方面獲進展

　　哺乳動物遠緣雜交不育在自然界較為常見，在家養動物中，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生阻斷完全不育。雖然科研人員自二十世紀80年代起就持續探索犏牛不育的機制，但導致其雜交不親和性的基因依然沒有得到確定。精準解析不同類型生殖細胞基因表達特征是篩選雜交不育基因的必要過程。由于傳統轉錄組測序忽略了不同細胞基因表達的異質性，無法檢測單個細胞的基因表達。目前，犏牛生殖細胞類型尚未得到精確鑒定，其發育過程中細胞命運及狀態轉變的基因表達動態仍不清楚。

　　中國科學院西北高原生物研究所動物生態與資源保護研究團隊在前期對牦牛、普通牛和犏牛不同發育時期生精細胞形態學分析的基礎上，對12月齡牦牛和犏牛的睪丸組織進行了單細胞RNA測序分析，結合已知生殖細胞標記基因的表達情況，獲得了兩種動物的生殖細胞發育軌跡和基因表達譜。結合標記基因、細胞群高表達基因和擬時序分析結果，研究發現此發育階段的生殖細胞可以被定義為五種類型：未分化型精原細胞1、未分化型精原細胞2、分化型精原細胞1、分化型精原細胞2和精母細胞。和牦牛相比，犏牛的五種生殖細胞比例均存在明顯差異，其未分化型精原細胞比例減少，分化型精原細胞比例顯著增加，表明其精原細胞命運決定過程存在異常。通過對各個生殖細胞亞型的進一步比較，研究發現了一系列與細胞增殖和凋亡、精原細胞分化和減數分裂進入相關的基因異常表達。除生殖細胞外，牦牛和犏牛的體細胞比例雖然存在差異，但是差異表達基因較少，尤其是支持細胞。支持細胞是生殖細胞直接接觸的唯一體細胞，在調控生殖細胞發育中發揮不可替代作用。在單細胞水平上，牦牛和犏牛支持細胞基因表達細胞無顯著差別，表明犏牛生殖細胞基因表達異常主要受內源因素影響。通訊分析發現，犏牛的五種生殖細胞間接收和發送信號的能力降低，且與精子發生相關的EGF和FGF信號通路存在異常。體細胞與生殖細胞間的通訊在犏牛中存在異常，表現為生殖細胞接收到了更多的來自間質細胞的信號。研究結果表明犏牛的精原細胞自我更新、分化和減數分裂進入異常，這與基因表達異常和細胞通訊失調相關。該研究描繪了牦牛生殖細胞基因表達圖譜，發現了犏牛精原細胞命運決定和減數分裂啟動異常。研究結果為鑒定犏牛雄性不育因果基因提供了重要數據。

　　4月18日，相關研究成果以Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 為題，發表在Journal of Dairy Science上。研究工作得到國家重點研發計劃、青海省自然科學基金等的支持。