Nat Commun丨孟安明團隊揭示BMP–Smad1/9信號調控斑馬魚原始生殖細胞發育的分子機制

生殖 細胞 （ germ cells ） 是負責產生配子（卵子和精子）并實現遺傳信息跨代傳遞的一類特殊細胞。生殖細胞的命運特化發生在胚胎發育早期，主要通過兩種調控模式實現：先成模式（ preformation mode ）和誘導模式（ induction mode ）。前者依賴卵母細胞中儲存的生殖質（ germ plasm ），早期胚胎中某些特定的細胞可以通過繼承生殖質直接獲得生殖細胞命運，成為原始生殖細胞（ primordial germ cell s ， P GCs ）。后者通過胚胎細胞間 B MP 信號通訊誘導，使一部分胚胎細胞逐漸獲得生殖細胞命運成為 P GC s 。 PGC s 的發育是 生殖細胞發育 開端，其 發育 異常可 引起性別分化紊亂、配子發生異常 、 甚至子代 胚胎 發育缺陷等嚴重后果 。 人類和小鼠等哺乳動物的 P GC s 命運決定通常采用依賴 B MP 信號的誘導模式，而斑馬魚、爪蟾、果蠅等 物 種的 P GC s 特化則依賴卵子中儲存的生殖質。 有趣的是，本團隊的前期研究發現斑馬魚 P GC s 高表達 B MP 的下游效應因子 Smad 1 、 Smad 5 、 Smad 9 等基因 ，且 斑馬魚 P GC s 中能檢測到活化形式的磷酸化 Smad （ phosphorylated S mad ， pSmad ）蛋白。那么，在斑馬魚胚胎中， 激活 形式 的 B MP 信號 是否參與 P GCs 的 發育 調控 ？ B MP 信號在先成模式與誘導模式中作用機制是否一致？

近日， 清華大學生命科學學院孟安明院士團隊在Nature Communications期刊發表題為 “ BMP–Smad1/9 信號調控斑馬魚 P GC 增殖 ” （ BMP–Smad1/9 signaling plays a critical role in regulating zebrafish PGC proliferation ） 的研究論文 ，該研究明確了BMP-Smad信號并不參與斑馬魚的PGCs命運決定和遷移調控，而是通過調控DNA損傷應激通路ATR維持PGCs數目。從演化-發育（ Evo-Dev ）角度闡明了BMP信號通過不同分子機制參與先成模式和誘導模式生物的PGCs發育調控。

為了研究 B MP-Smad 信號是否參與斑馬魚 P GC s 的發育調控， 研 究 人員 首先通過 BMP 受體 抑制劑處理 胚胎 ， 通過 生殖質基因 d dx 4 的表達圖式， 以及 Tg (piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR) 轉基因品系標記 P GC s 的 活體示蹤 檢測 ，發現 P GC s 細胞數目在 B MP 受體抑制劑處理后出現了明顯的下調。為了更加準確地抑制 B MP-S mad 信號下游的效應因子 Smad 的功能，研究人員通過顯著注射 嗎啉環 修飾的翻譯寡核苷酸（ morpholino ， M O ）抑制 smad1/9 的表達，同樣檢測到了 P GC 細胞數目的顯著減少。

鑒于 B MP-S mad 信號參與斑馬魚早期胚胎的背腹分化，且已有報道稱胚胎體細胞異常也會引起 P GC s 遷移的異常。 為 了進一步 明確 上述實驗結果中 P GC s 細胞數目的減少 是否由 B MP 信號在 PGC s 中的細胞自主性功能 缺失引起的 ， 研究人員 采用 團隊早期 建 立的雙轉基因 CRISPR/Cas9 基因 編輯系統 （ Li e t al., J Cell Biol, 2026 ） ，構建了 PGC s 特異性 smad1/9 條件性敲除模型（ smad1/9 -cKO ），實現了 P GC s 中精準敲除 smad1/9 而不影響 胚胎 體細胞。 利用 Tg ( kop :m Eos3.2 -CAAX-nanos3 3’UTR) 以及 Tg (piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR) 轉基因品系標記 并追蹤 P GC s 的發育 ，研究人員發現， P GC s 細胞數目在野生型胚胎中從 shield 時期開始顯著增殖，在 1 -4 dpf 維持 不變 。然而， 突變體 P GC s 在 shield 時期后的增殖能力較差，并且在 1 dpf 出現了顯著的 P GC s 細胞數目下降，暗示突變體 P GC s 增殖能力不足且存在凋亡 ；此外， P GC s 并未出現異位遷移 。隨后， P GC s 活體追蹤、 EdU 染色、 Active C aspase -3 染色證實了突變體 P GC s 增殖受阻且出現了明顯的凋亡信號。

機制 研 究表明 BMP–Smad1/9 信號 幫助 斑馬魚 PGC s 抵御 DNA 復制 壓力 （ replication stress ） 。 P GCs 轉錄組分析顯示， smad1 -cKO PG C s 細胞周期檢驗點與 DNA 損傷應答相關基因顯著上調 ；且生殖質相關基因表達并未發生改變，指示 PGC s 細胞命運決定并不受 B MP-S mad 信號調控。 pChk 1 免疫熒光染色結果顯示 ATR–pChk1 信號通路 在突變體 P GC s 中 異常 活躍 ， 研究人員利用 ATR 抑制劑 處理突變體胚胎 可有效挽救突變體胚胎的 PGC s 數量減少 的表型 。 有趣的是， P GC s 轉錄組分析發現了 參與調控染色質 結構 、 DNA 損傷 修復及細胞 周期 相關基因的剪接 （ splicing ） 出現了異常。免疫共沉淀和胚胎成像結果顯示 Smad1 可直接與剪接體核心組分 Snrpb 相互作用 ，這提示 Smad 1/ 9 在斑馬魚 P GC s 中 可能通過調控 mRNA 的剪切 參與 D NA 復制壓力 響應及細胞周期與應激的調控 。

綜上所述， 該研究系統 揭示 了 BMP–Smad1/9 信號 直接 參與 斑馬魚 PGC s 發育調控 。 B MP- Smad1/9 在 P GC s 中 通過參與 D NA 損傷 應答 A TR 通路的調控 ， 幫助 P GC s 應對早期胚胎發育過程中的 D NA 復制壓力，從而維持 P GC s 數目 。 上述結果闡釋了 先成模式和誘導模式在分子機制上的共性與差異，加深了對 P GC s 發育的演化調控機制的理解。

清華大學生命科學學院吳小童 副 研究員和 孟安明院士為共同通訊作者 ， 清華大學生命學院博士后 鄭濤為 本文 第一作者。 清華大學生命學院 2 02 2 級 博士生李潔 、 2 0 17 級 博士生 李雅琪 （已畢業） 、 博士后 李光遠 、 博士后 危子航、 2 0 18 級博士生 張渭瑩 （已畢業） ， 廣州 實驗室 博士后 姜政 ， 北京科技大學 幸岑璨副教授 和碩士研究生 Roshan Shah 也在該課題中做出重要貢獻 。感謝中國科學院水生生物研究所孫永華研究員參與該研究的討論指導。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70624-8

制版人：十一

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