西北高原所在牦牛远缘杂交后代雄性不育候选基因鉴定方面获得新进展

生殖隔离阻断或减少了物种间的基因交流，对维持物种完整性至关重要。犏牛是牦牛（Bos grunniens）和普通牛（Bos taurus）的杂交后代，表现为雌性可育而雄性不育。作为研究家畜不完全生殖隔离的良好模型，犏牛受到了繁殖生物学领域的广泛关注，但导致其精子发生阻断的关键机制依然不明确。Dobzhansky-Muller 模型认为，杂交致死或不育是由不同基因位点的不相容所造成的。基因组结构变异（Genomic structural variation, SV）是遗传多样性最重要的来源之一，包括缺失、重复、插入、易位和倒位等。SV可通过改变基因表达或抑制减数分裂重组，直接导致杂交动物生殖细胞发育阻断。目前，亲本间SV对犏牛雄性不育的影响在很大程度上仍不明确，遗传不相容与犏牛生精细胞基因表达失调之间的关系也尚未得到全面解析。

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通过整合牦牛和普通牛基因组SV位点信息和转录组数据，对牦牛、犏牛和回交一代（BC1）睾丸组织在几个关键发育阶段的组织学特征、转录组图谱以及SV在差异表达基因（DEGs）中的分布进行了表征。结果发现，在犏牛睾丸组织中，与精原细胞命运决定、减数分裂重组和DSB修复等过程相关的基因表达下调，且在每个发育阶段犏牛中均有一定比例的DEGs含有SV。比如，3月龄犏牛27.78%的DEGs（50/180）中分布有180个SV，其中大部分SV（147/180）位于内含子区；10月龄犏牛27.73%的DEGs（1750/6310）中分布有8741个SV，其中大部分SV位于内含子区（7640/8741），少量的SV位于外显子区（50/8741）和UTR区（18/8741）等，这些SV可能会影响基因的表达。对其中的候选基因ESCO2和BRDT进行了表达验证，发现ESCO2在牦牛和犏牛精母细胞细线期表达，BRDT在牦牛精母细胞偶线期和粗线期表达，但在犏牛中只在偶线期表达。相较于牦牛，犏牛中ESCO2和BRDT的表达均下调。此外，还发现差异表达的X连锁基因在10月龄（123/252）和成年（206/274）的犏牛中多数表达上调，这可能与减数分裂性染色体失活（MSCI）异常有关，凸显了 X 染色体在杂交不育中的作用。然而，相较于犏牛无法产生精子，BC1曲细精管中出现了少量的圆形精子，并且与精子形成相关的基因（TSSK6, TSKS, TBC1D21, TPPP2, SPPL2C等）表达上调，但仍低于牦牛正常精子发生水平，表明精子发生缺陷和基因表达异常在BC1中得到了部分恢复。本研究获得了牦牛和犏牛在关键发育阶段的DEGs 和SV位点信息，为了解SV在犏牛雄性不育以及物种杂交不育中的潜在功能提供了启示。

相关研究结果以 Identification of Candidate Genes Related to Hybrid Sterility by Genomic Structural Variation and Transcriptome Analyses in Cattle-yak 为题，于10月15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万瑞东为论文第一作者，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、2021YFD1600201)，国家自然科学基金（31972574、U22A20447）、青海省重大科技专项（2021-NK-A5）等项目的资助。

论文链接：https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(24)01212-8/fulltext

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