动物生态与资源保护研究团队在牦牛远缘杂交后代雄性不育机理解析方面获得新进展

哺乳动物远缘杂交不育在自然界较为常见，在家养动物中，最具代表性的是牦牛和普通牛的杂交后代——犏牛。雌性犏牛有正常的生育力而雄性由于精子发生阻断完全不育。虽然科研人员自上世纪80年代起就持续探索犏牛不育的机制，但导致其杂交不亲和性的基因依然没有得到确定。精准解析不同类型生殖细胞基因表达特征是筛选杂交不育基因的必要过程。由于传统转录组测序忽略了不同细胞基因表达的异质性，无法检测单个细胞的基因表达，目前，犏牛生殖细胞类型尚未得到精确鉴定，其发育过程中细胞命运及状态转变的基因表达动态也不清楚。

中国科学院西北高原生物研究所动物生态与资源保护研究团队在前期对牦牛、普通牛和犏牛不同发育时期生精细胞形态学分析的基础上，对12月龄牦牛和犏牛的睾丸组织进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，结合已知生殖细胞标记基因的表达情况，获得了两种动物生殖细胞发育轨迹和基因表达谱。结合标记基因、细胞群高表达基因和拟时序分析结果，发现此发育阶段的生殖细胞可以被定义为五种类型：未分化型精原细胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原细胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原细胞1（Diff-SPG1）、分化型精原细胞2（Diff-SPG2）和精母细胞（SPCs）。和牦牛相比，犏牛的五种生殖细胞比例均存在着明显的差异，其未分化型精原细胞比例减少，而分化型精原细胞比例显著增加，表明其精原细胞命运决定过程存在异常。通过对各个生殖细胞亚型的进一步比较，发现了一系列与细胞增殖和凋亡、精原细胞分化和减数分裂进入相关的基因异常表达。除生殖细胞外，牦牛和犏牛的体细胞比例虽然存在差异，但是差异表达基因较少，尤其是支持细胞。虽然支持细胞是生殖细胞直接接触的唯一体细胞，在调控生殖细胞发育中发挥不可替代作用，但在单细胞水平，牦牛和犏牛支持细胞基因表达细胞无显著差别，表明犏牛生殖细胞基因表达异常主要受内源因素影响。通讯分析发现，犏牛的五种生殖细胞间接收和发送信号的能力降低，且与精子发生相关的EGF和FGF信号通路存在异常。体细胞与生殖细胞间的通讯在犏牛中也存在异常，表现为生殖细胞接收到了更多的来自间质细胞的信号。以上结果表明犏牛的精原细胞自我更新、分化和减数分裂进入异常，这与基因表达异常和细胞通讯失调相关。本研究描绘了牦牛生殖细胞基因表达图谱，以此为基础，发现犏牛精原细胞命运决定和减数分裂启动异常，研究结果为鉴定犏牛雄性不育因果基因提供了重要的数据。

相关研究结果以 Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 为题，于4月18日在 Journal of Dairy Science（农林科学1区TOP期刊）在线发表。西北高原所博士研究生张译文为论文第一作者，杨其恩研究员为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划（2021YFD1200405），青海省自然科学基金（2020-ZJ-902）等项目的资助与支持。

论文链接： https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(24)00759-8/fulltext

单细胞转录组分析揭示犏牛精原细胞命运决定异常。A：牦牛和犏牛生殖细胞单细胞tSNE聚类图；B：随拟时序变化的不同类型生殖细胞基因表达特征分析；C：两种牛精原细胞和早期精母细胞比例；D：细胞通讯分析显示两种牛不同类型精原细胞互作存在显著差异。未分化型精原细胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原细胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原细胞1（Diff-SPG1）、分化型精原细胞2（Diff-SPG2）和精母细胞（SPCs）