有性繁殖物種的成熟生殖細胞中染色體數(shù)量是體細胞的一半，并且其染色體序列與親代細胞不完全相同，這些變化是通過減數(shù)分裂來實現(xiàn)的，而生殖細胞在第一次減數(shù)分裂前期經(jīng)歷了許多減數(shù)分裂特有的發(fā)育調(diào)控過程。細胞類型特異性或發(fā)育階段特異性的熒光報告系統(tǒng)可以為目的細胞在特定發(fā)育階段的研究提供便利，但目前已有的在小鼠減數(shù)分裂期間表達的熒光報告小鼠模型中，熒光信號的表達與減數(shù)分裂進程的一致性不高。另外，雖然哺乳動物雄性和雌性減數(shù)分裂生殖細胞的發(fā)育依賴于性腺體細胞提供的完全不同的微環(huán)境，但減數(shù)分裂過程中生殖細胞和性腺體細胞的互作機制還不明了。

2021年9月7日，清華大學紀家葵團隊在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)會復合體的組裝狀態(tài)的不同，第一次減數(shù)分裂前期主要分為細線期、偶線期、粗線期和雙線期。為了更方便地研究生殖細胞第一次減數(shù)分裂前期的發(fā)育過程，該研究首先利用CRISPR/Cas9介導的基因編輯技術(shù)，通過將熒光蛋白報告基因插入聯(lián)會復合體蛋白SYCP3的翻譯起始位點，構(gòu)建了減數(shù)分裂生殖細胞熒光報告系統(tǒng)（VPHS）。經(jīng)檢測，帶有VPHS報告系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因小鼠生殖能力或SYCP3的表達等功能與野生型小鼠無明顯差異，并且報告基因的熒光信號能有效指示減數(shù)分裂的啟動和進行（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。

圖 1.? 小鼠生殖細胞減數(shù)分裂熒光報告系統(tǒng) A. 小鼠睪丸中VPHS報告基因的表達檢測; B. 減數(shù)分裂期性腺的流式檢測; C. 第一次減數(shù)分裂前期各階段初級精母細胞的分選鑒

隨后，該研究發(fā)現(xiàn)免疫球蛋白超家族粘附分子IGSF11缺失會導致初級精母細胞發(fā)育阻滯，進而導致小鼠雄性不育。出生后小鼠的曲細精管中，Igsf11在睪丸支持細胞及多個發(fā)育階段的生精細胞中均有表達。為研究睪丸支持細胞和生精細胞來源的IGSF11對于初級精母細胞發(fā)育的貢獻，該研究使用睪丸注射細胞移植技術(shù)進行不同Igsf11基因型的供體細胞及受體小鼠的組合實驗，并使用構(gòu)建好的減數(shù)分裂熒光報告系統(tǒng)檢測供體細胞在受體小鼠睪丸中的發(fā)育情況。結(jié)果顯示，睪丸支持細胞和生精細胞來源的IGSF11對于小鼠初級精母細胞的正常發(fā)育均是必不可少的，上述任何一方缺失IGSF11后初級精母細胞均會停滯在第一次減數(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胞與生殖細胞互作的至關(guān)重要的調(diào)控機制。

圖 2.? 睪丸細胞注射移植實驗?zāi)Ｊ綀D和基于VPHS報告系統(tǒng)的初級精母細胞發(fā)育進程檢測

進一步研究IGSF11缺失對于初級精母細胞發(fā)育的影響后發(fā)現(xiàn)，這些細胞可以通過粗線期檢驗點，聯(lián)會復合體染色提示其可以發(fā)育到達雙線期。但是從粗線期晚期開始，IGSF11缺失的初級精母細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)的對于減數(shù)分裂至關(guān)重要的蛋白主要作用于染色體臂、端?；蛑z粒區(qū)域，該研究卻發(fā)現(xiàn)近著絲粒區(qū)域同樣存在對于減數(shù)分裂至關(guān)重要的調(diào)控機制。

圖 3. 不同Igsf11基因型小鼠初級精母細胞的發(fā)育進程檢測

該研究由清華大學醫(yī)學院紀家葵實驗室（博士生陳波、嚴安、何京、李琳），清華大學免疫學研究所董晨實驗室（博士生朱庚振）以及清華大學生命科學學院楊雪瑞實驗室（博士生劉陽）合作完成。該論文工作獲得中華人民共和國科學技術(shù)部項目（2018YFA0107703）、國家自然科學基金（82071597）和清華大學-北京大學生命科學聯(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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來源：清華大學