精原干細(xì)胞(SSCs)是成體雄性性腺中具有自我更新和分化潛力的一種生殖干細(xì)胞。
利用精原干細(xì)胞移植（Spermatogonial stem cell transplantation, SSCT）技術(shù)，有可能實(shí)現(xiàn)跨個(gè)體甚至是跨物種的“借腹生殖”，也就是利用個(gè)體（或物種）B產(chǎn)生個(gè)體（或物種）A的功能性配子。SSCT“借腹生殖”是研究配子發(fā)生和性腺發(fā)育的重要技術(shù)，其在快速、高效的定向育種中也具有重要而廣闊的應(yīng)用價(jià)值。SSCT“借腹生殖”能否在遺傳距離較大（如跨亞科及以上遺傳距離）的不同物種間實(shí)現(xiàn)，是這一領(lǐng)域的經(jīng)典難題。近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所孫永華學(xué)科組在Science China Life Sciences上，發(fā)表了題為Surrogate production of genome edited sperm from a different subfamily by spermatogonial stem cell transplantation的研究論文，利用魚(yú)類(lèi)SSCT首次實(shí)現(xiàn)了亞科物種間的“借腹生殖”，并獲得了跨亞科物種來(lái)源的經(jīng)基因編輯的SSCT精子。
前期研究中，孫永華團(tuán)隊(duì)在斑馬魚(yú)中建立并優(yōu)化了魚(yú)類(lèi)基因編輯配子的“借腹生殖”技術(shù)（J Genet Genomics，2020；Faculty of 1000推薦），快速而高效地獲得了純合突變致死基因的母源合子突變體，為斑馬魚(yú)母源基因的功能研究開(kāi)辟了新途徑。為進(jìn)一步探究在魚(yú)類(lèi)異種間能否建立基因編輯配子的“借腹生殖”技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)選擇了跨亞科的兩個(gè)魚(yú)類(lèi)物種——稀有鮈鯽和斑馬魚(yú)作為SSCT供體和受體，將生殖細(xì)胞靶向的CRISPR/Cas9基因編輯和SSCT“借腹生殖”技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合和優(yōu)化，利用受體斑馬魚(yú)快速、高效地獲得了供體稀有鮈鯽來(lái)源的經(jīng)基因編輯的精子（圖1）。
為追溯供體稀有鮈鯽SSCs在受體斑馬魚(yú)中的發(fā)育命運(yùn)，科研人員精細(xì)刻畫(huà)了移植SSCs在斑馬魚(yú)性腺中定植、增殖、分化的全過(guò)程，并運(yùn)用組學(xué)和實(shí)驗(yàn)生物學(xué)手段揭示了SSCT精巢是由供體稀有鮈鯽生殖細(xì)胞和受體斑馬魚(yú)性腺體細(xì)胞所構(gòu)成的特殊重組性腺（圖2）。“借腹生殖”斑馬魚(yú)產(chǎn)生的SSCT精子，其核基因組完全來(lái)源于供體稀有鮈鯽且只能與稀有鮈鯽卵進(jìn)行受精，但其形態(tài)學(xué)特征和游動(dòng)行為更接近受體斑馬魚(yú)精子。研究比較SSCT精子和普通稀有鮈鯽精子的轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)，斑馬魚(yú)性腺體細(xì)胞的一些轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可能通過(guò)某種方式被轉(zhuǎn)運(yùn)到SSCT精子細(xì)胞中，從而影響“借腹生殖”所產(chǎn)生的稀有鮈鯽精子的形態(tài)和行為特征。本研究是首次利用“借腹生殖”技術(shù)產(chǎn)生異種來(lái)源的基因編輯配子，這為進(jìn)一步利用該技術(shù)設(shè)計(jì)和定制未來(lái)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的配子奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
研究工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“發(fā)育編程及其代謝調(diào)節(jié)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體等的支持。研究中涉及的斑馬魚(yú)和稀有鮈鯽品系均來(lái)自國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)。
圖1.本研究技術(shù)路線圖及稀有鮈鯽SSCs的分離及向斑馬魚(yú)幼魚(yú)的移植
圖2.SSCT精巢由稀有鮈鯽（Gr）的生殖細(xì)胞和斑馬魚(yú)（Dr）的性腺體細(xì)胞構(gòu)成
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所
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