生殖細(xì)胞是多細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi)唯一能夠傳遞遺傳信息的載體，是物種延續(xù)和品種擴(kuò)繁的基礎(chǔ)。對(duì)于有性生殖的動(dòng)物而言，其生命誕生起始于精子與卵子的結(jié)合。無(wú)論精子或者卵子，均來(lái)源于胚胎期的原始生殖細(xì)胞（Primordial germ cells, PGCs）和幼體或成體性腺中的生殖干細(xì)胞（germline stem cells，GSCs），即生殖干祖細(xì)胞（germline stem and progenitor cells，GSPCs）。GSPCs的自我更新和分化是配子發(fā)生和性腺分化的關(guān)鍵，對(duì)這一機(jī)制開(kāi)展研究，不僅是發(fā)育生物學(xué)和生殖生物學(xué)的重要命題，而且是種業(yè)創(chuàng)新的重大需求。

線粒體被稱為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，通過(guò)有氧呼吸和氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，為細(xì)胞活動(dòng)提供能量。線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，不斷進(jìn)行融合（fusion）和分裂（fission）形成動(dòng)態(tài)平衡，這對(duì)于線粒體穩(wěn)態(tài)及其功能發(fā)揮至關(guān)重要。已有研究表明，線粒體穩(wěn)態(tài)參與調(diào)控干細(xì)胞的命運(yùn)維持和分化。然而，是否存在著GSPCs特異的線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制，以及線粒體動(dòng)態(tài)是如何作用于GSPCs的命運(yùn)決定，尚不清楚。

10月18日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所孫永華團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳振夏團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Advanced Science在線發(fā)表題為“A Germline-Specific Regulator of Mitochondrial Fusion is Required for Maintenance and Differentiation of Germline Stem and Progenitor Cells”的研究論文。該論文利用斑馬魚(yú)模型，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)生殖細(xì)胞譜系特異的線粒體融合因子Pld6，并揭示了其對(duì)GSPC命運(yùn)維持和分化的作用機(jī)制。

研究者首先對(duì)處于性腺分化階段的斑馬魚(yú)精卵巢進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)線粒體組裝以及氧化磷酸化相關(guān)基因在卵巢中的轉(zhuǎn)錄水平顯著高于精巢，提示GSPCs向卵子的分化需要更強(qiáng)的線粒體供能。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)精卵巢的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析和實(shí)驗(yàn)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控線粒體融合的關(guān)鍵因子pld6不僅在卵巢組織高表達(dá)，而且特異表達(dá)于包括GSPCs在內(nèi)的生殖細(xì)胞中（圖1）。
 

圖1 發(fā)現(xiàn)線粒體融合調(diào)控因子pld6特異表達(dá)于生殖細(xì)胞譜系

隨后，研究者建立pld6缺失的斑馬魚(yú)突變體模型，結(jié)果純合突變體全部發(fā)育為不育的雄性，組織學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究顯示純合突變體性腺中的生殖細(xì)胞完全丟失。對(duì)突變性腺的發(fā)育進(jìn)行時(shí)序追蹤和研究，發(fā)現(xiàn)pld6缺失的GSPCs既無(wú)法通過(guò)有絲分裂進(jìn)行增殖，也無(wú)法通過(guò)減數(shù)分裂進(jìn)行分化，從而在性腺發(fā)育早期即走向細(xì)胞凋亡途徑。進(jìn)一步研究揭示，突變體GSPCs中線粒體動(dòng)態(tài)失衡，線粒體拷貝數(shù)以及ATP合成均顯著減少，同時(shí)生殖細(xì)胞中特有的線粒體云（mitochondria-nuage）在突變體GSPCs中缺失，進(jìn)而導(dǎo)致piRNA的合成受阻（圖2）。因此，該研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的特異存在于生殖細(xì)胞中的線粒體融合調(diào)控因子，并揭示了其調(diào)控魚(yú)類GSPCs命運(yùn)維持與分化的分子和細(xì)胞學(xué)機(jī)制。
 

圖2 Pld6通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控生殖干祖細(xì)胞命運(yùn)維持與分化的作用機(jī)制

水生所魚(yú)類發(fā)育與生物技術(shù)學(xué)科組張茹博士和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生涂懿璇為該文并列第一作者，水生所孫永華研究員是該文通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳振夏教授為共同通訊作者。水生所葉鼎副研究員和復(fù)旦大學(xué)粵港澳大灣區(qū)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院顧正龍教授參與研究。該研究得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等資助。文中構(gòu)建的pld6突變體已保藏至國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)國(guó)家斑馬魚(yú)資源中心。