醫(yī)學(xué)院紀(jì)家葵團(tuán)隊(duì)建立新型減數(shù)分裂熒光報(bào)告系統(tǒng)並揭示生殖細(xì)胞與性腺體細(xì)胞的互作機(jī)制 時(shí)間：2021-09-26
有性繁殖物種的成熟生殖細(xì)胞中染色體數(shù)量是體細(xì)胞的一半，并且其染色體序列與親代細(xì)胞不完全相同，這些變化是通過(guò)減數(shù)分裂來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而生殖細(xì)胞在第一次減數(shù)分裂前期經(jīng)歷了許多減數(shù)分裂特有的發(fā)育調(diào)控過(guò)程。細(xì)胞類型特異性或發(fā)育階段特異性的熒光報(bào)告系統(tǒng)可以為目的細(xì)胞在特定發(fā)育階段的研究提供便利，但目前已有的在小鼠減數(shù)分裂期間表達(dá)的熒光報(bào)告小鼠模型中，熒光信號(hào)的表達(dá)與減數(shù)分裂進(jìn)程的一致性不高。另外，雖然哺乳動(dòng)物雄性和雌性減數(shù)分裂生殖細(xì)胞的發(fā)育依賴于性腺體細(xì)胞提供的完全不同的微環(huán)境，但減數(shù)分裂過(guò)程中生殖細(xì)胞和性腺體細(xì)胞的互作機(jī)制還不明了。
2021年9月7日，清華大學(xué)紀(jì)家葵團(tuán)隊(duì)在PLOS Genetics雜志發(fā)表題為《IGSF11 is required for pericentric heterochromatin dissociation during meiotic diplotene》的研究成果。
根據(jù)聯(lián)會(huì)復(fù)合體的組裝狀態(tài)的不同，第一次減數(shù)分裂前期主要分為細(xì)線期、偶線期、粗線期和雙線期。為了更方便地研究生殖細(xì)胞第一次減數(shù)分裂前期的發(fā)育過(guò)程，該研究首先利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，通過(guò)將熒光蛋白報(bào)告基因插入聯(lián)會(huì)復(fù)合體蛋白SYCP3的翻譯起始位點(diǎn)，構(gòu)建了減數(shù)分裂生殖細(xì)胞熒光報(bào)告系統(tǒng)（VPHS）。經(jīng)檢測(cè)，帶有VPHS報(bào)告系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因小鼠生殖能力或SYCP3的表達(dá)等功能與野生型小鼠無(wú)明顯差異，并且報(bào)告基因的熒光信號(hào)能有效指示減數(shù)分裂的啟動(dòng)和進(jìn)行（圖1）。該成果為小鼠減數(shù)分裂期間的相關(guān)研究提供了具有普遍適用性的新平臺(tái)。
圖 1.? 小鼠生殖細(xì)胞減數(shù)分裂熒光報(bào)告系統(tǒng) A. 小鼠睪丸中VPHS報(bào)告基因的表達(dá)檢測(cè); B. 減數(shù)分裂期性腺的流式檢測(cè); C. 第一次減數(shù)分裂前期各階段初級(jí)精母細(xì)胞的分選鑒
隨后，該研究發(fā)現(xiàn)免疫球蛋白超家族粘附分子IGSF11缺失會(huì)導(dǎo)致初級(jí)精母細(xì)胞發(fā)育阻滯，進(jìn)而導(dǎo)致小鼠雄性不育。出生后小鼠的曲細(xì)精管中，Igsf11在睪丸支持細(xì)胞及多個(gè)發(fā)育階段的生精細(xì)胞中均有表達(dá)。為研究睪丸支持細(xì)胞和生精細(xì)胞來(lái)源的IGSF11對(duì)于初級(jí)精母細(xì)胞發(fā)育的貢獻(xiàn)，該研究使用睪丸注射細(xì)胞移植技術(shù)進(jìn)行不同Igsf11基因型的供體細(xì)胞及受體小鼠的組合實(shí)驗(yàn)，并使用構(gòu)建好的減數(shù)分裂熒光報(bào)告系統(tǒng)檢測(cè)供體細(xì)胞在受體小鼠睪丸中的發(fā)育情況。結(jié)果顯示，睪丸支持細(xì)胞和生精細(xì)胞來(lái)源的IGSF11對(duì)于小鼠初級(jí)精母細(xì)胞的正常發(fā)育均是必不可少的，上述任何一方缺失IGSF11后初級(jí)精母細(xì)胞均會(huì)停滯在第一次減數(shù)分裂前期（圖2）。該論文研究成果證明在第一次減數(shù)分裂前期存在基于性腺體細(xì)胞與生殖細(xì)胞互作的至關(guān)重要的調(diào)控機(jī)制。
圖 2.? 睪丸細(xì)胞注射移植實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D和基于VPHS報(bào)告系統(tǒng)的初級(jí)精母細(xì)胞發(fā)育進(jìn)程檢測(cè)
進(jìn)一步研究IGSF11缺失對(duì)于初級(jí)精母細(xì)胞發(fā)育的影響后發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞可以通過(guò)粗線期檢驗(yàn)點(diǎn)，聯(lián)會(huì)復(fù)合體染色提示其可以發(fā)育到達(dá)雙線期。但是從粗線期晚期開(kāi)始，IGSF11缺失的初級(jí)精母細(xì)胞中非同源染色體的近著絲粒染色質(zhì)發(fā)育異常，不能彼此分離（圖3）。以往發(fā)現(xiàn)的對(duì)于減數(shù)分裂至關(guān)重要的蛋白主要作用于染色體臂、端粒或著絲粒區(qū)域，該研究卻發(fā)現(xiàn)近著絲粒區(qū)域同樣存在對(duì)于減數(shù)分裂至關(guān)重要的調(diào)控機(jī)制。
圖 3. 不同Igsf11基因型小鼠初級(jí)精母細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)程檢測(cè)
該研究由清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院紀(jì)家葵實(shí)驗(yàn)室（博士生陳波、嚴(yán)安、何京、李琳），清華大學(xué)免疫學(xué)研究所董晨實(shí)驗(yàn)室（博士生朱庚振）以及清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊雪瑞實(shí)驗(yàn)室（博士生劉陽(yáng)）合作完成。該論文工作獲得中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部項(xiàng)目（2018YFA0107703）、國(guó)家自然科學(xué)基金（82071597）和清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的大力支持。
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https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009778
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