犏牛是牦牛（Bos grunniens）和普通牛（Bos taurus）的雜交后代，兼具高寒極端環(huán)境適應能力以及較好的產(chǎn)肉、奶等優(yōu)良經(jīng)濟性狀。雌性犏牛具有正常的生育能力，但雄性犏牛因生精阻滯而不完全育，是探究哺乳動(dòng)物生殖隔離分子機制和物種形成的天然模型。中國科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物繁育與功能基因組學(xué)團隊在牦牛生精細胞發(fā)育分析和牦牛基因組結構變異解析等前期工作的基礎上，利用細胞培養、減數分裂分析和蛋白組檢測等試驗，圍繞精原細胞發(fā)育和精母細胞減數分裂關(guān)鍵調控因子篩選和鑒定，獲得了階段性的重要進(jìn)展。

 

　　精原細胞來(lái)源于在胎兒期形成的性原細胞。后者在出生后的睪丸內恢復有絲分裂，并從生精索中央向基底膜遷移形成精原細胞。該研究通過(guò)檢測3月齡牦牛和犏牛睪丸組織內支持細胞的轉錄特征發(fā)現：犏牛支持細胞的DNA甲基化修飾與牦牛存在顯著(zhù)差異；402個(gè)基因在犏牛支持細胞中差異表達，包括膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營(yíng)養因子（GDNF）和維甲酸（RA）合成的基因。GNDF是哺乳動(dòng)物精原細胞維持的關(guān)鍵因子，而RA參與調控性原細胞發(fā)育和精原細胞分化。體外細胞培養試驗發(fā)現，外源性GDNF顯著(zhù)促進(jìn)了精原細胞的增殖。同時(shí)，研究顯示，犏牛性原細胞和未分化精原細胞數量以及其中處于增殖狀態(tài)的細胞數量均顯著(zhù)高于同齡牦牛，表明犏牛精原細胞的形成和命運決定受到了影響，這是導致生殖細胞數量減少的主要原因。

 

　　犏牛精子發(fā)生的另一缺陷是精母細胞減數分裂阻斷導致的凋亡。為描繪參與精母細胞減數分裂過(guò)程的分子圖譜，并尋找參與犏牛減數分裂的蛋白，科研團隊通過(guò)流式細胞術(shù)篩選純化了牦牛和犏牛精母細胞，并進(jìn)行了蛋白組分析。結果發(fā)現，452個(gè)蛋白在犏牛精母細胞中出現豐度差異，291個(gè)蛋白僅在牦牛精母細胞中表達。在犏牛中表達下調的蛋白，如LMNA、HSPA4L、PTBP2、TDRD1、YBX3、STRBP、VRK1、CLGN、GPAT2和ELAVL1等，與DNA損傷刺激反應和DNA雙鏈斷裂修復相關(guān)；而牦牛獨特表達的蛋白，如MAGED1、TDRD5、SETX、ADAD1、YBX2、GTSF1、SYCE2和CDK1等，則參與細胞分裂和周期以及外源性凋亡信號通路調節。結合蛋白組和犏牛及其回交后代睪丸組織單細胞轉錄組數據，研究篩選到一個(gè)在犏牛精母細胞中表達下調但在回交后代中的表達水平趨近于親本的基因——結構特異性核酸內切酶亞基SLX4。進(jìn)一步分析發(fā)現，該基因在犏牛粗線(xiàn)期精母細胞中的表達顯著(zhù)減少。這表明SLX4的表達失調，或導致犏牛同源重組階段crossover的形成失敗和減數分裂的紊亂。

 

　　上述工作通過(guò)描繪牦牛生殖細胞和睪丸體細胞內外源因子的表達圖譜為解析牛屬動(dòng)物正常精子發(fā)生提供了重要數據，通過(guò)對比分析發(fā)現犏牛精原細胞形成異常和減數分裂缺陷是導致其不育的兩個(gè)原因。本研究發(fā)現的參與DNA雙鏈斷裂、聯(lián)會(huì )和同源重組等減數分裂關(guān)鍵事件的蛋白質(zhì)，為犏牛雄性不育機制解析和遺傳矯正策略研究奠定了基礎。

 

　　近日，相關(guān)研究成果分別以Transcriptome analysis reveals dysregulated gene expression networks in Sertoli cells of cattle-yak hybrids、Comparative proteomic analysis identifies differentially expressed proteins associated with meiotic arrest in cattle-yak hybrids、Localization and expression of SLX4 in the testis of sterile male cattle-yak為題，發(fā)表在Theriogenology、Proteomics、Reproduction in Domestic Animals上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和青海省自然科學(xué)基金團隊項目的支持。