AI視頻 | 為何雄性犏牛不能生育？研究鎖定“嫌疑基因”

▲研究揭示牛遠緣雜交后代雄性不育的分子機制（視頻由AI生成）

犏牛是牦牛與普通牛的種間雜交后代。犏牛繼承了牦牛對高寒、缺氧環境的適應力，又具備普通牛較高的產肉、產奶性能，雜交優勢顯著。但是，雄性犏牛普遍存在生育缺陷，制約了其作為優良畜種的培育與利用。同時，犏牛也成為了探究哺乳動物生殖隔離分子機制和物種形成的“天然模型”。

近日，中國科學院西北高原生物研究所研究團隊通過多組學技術，繪制出牛生精細胞的分子圖譜，剖析了決定精子發生效率的關鍵因素，并初步探究了牦牛遠緣雜交后代生育缺陷的關鍵因子。

01

繪制精細的“細胞地圖”

哺乳動物的精子發生是一個高度復雜的細胞分化過程。研究團隊繪制了普通牛、牦牛、犏牛及其回交一代（BC1）睪丸細胞各生精階段生殖細胞及體細胞的轉錄特征圖譜，構建了發育軌跡以確定不同生精細胞的命運轉變。

結果發現，在普通牛和牦牛睪丸中，存在7種精原細胞、10種精母細胞和11種精子細胞亞型。犏牛睪丸中僅鑒定出7種精原細胞亞型和6種初級精母細胞亞型，表明其生精過程在精母細胞階段就發生了嚴重阻滯。

相比之下，在BC1睪丸中可以觀察到圓形精子和少量長形精子；細胞注釋發現，各細胞亞型數量與普通牛和牦牛相似，表明生精阻滯現象得到顯著緩解。

02

減數分裂的“管制”失靈

研究團隊追蹤發現，犏牛的生精障礙具體發生在減數分裂Ⅰ前期的雙線期到終變期。在這一關鍵階段，犏牛精母細胞中DNA雙鏈斷裂（DSBs）修復存在缺陷，導致染色體無法正常重組。此外，性小體在粗線期的形成受損。

研究發現，犏牛細胞里有40余個X染色體基因在犏牛中異常高表達。而在回交一代中，這些X連鎖基因的表達水平恢復正常，與減數分裂阻滯的緩解一致。

03

定位“沖突基因”

模型預測提示，雜交不兼容源于至少兩個在雜交物種中獨立分化的基因之間的相互作用。為了找到這些“沖突基因”，團隊進行了轉錄組和基因組結構變異的聯合分析。

研究發現，在回交一代中恢復表達的661個基因攜帶基因組結構變異。這些結構變異在犏牛中擾亂了基因的正常表達：在精原細胞中導致基因異常上調，而在精母細胞中引發基因異常下調。

通過整合蛋白質組數據，研究團隊最終篩選出24個關鍵“嫌疑基因”。這些基因在犏牛精母細胞中無論是mRNA表達還是蛋白質豐度均出現異常，但在回交一代中又回歸正常。

上述研究為進一步篩選影響犏牛精母細胞粗線期DSBs修復和性染色體失活的關鍵分子及其調控通路提供了數據集，為犏牛雄性不育的誘因探尋和遺傳矯正策略的制定奠定了基礎。同時，這項工作有助于闡明牛精子生成的分子調控網絡，為探索大型動物物種形成和生殖隔離機制提供了重要信息。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/molbev/msag027

來源：中國科學院西北高原生物研究所

責任編輯：梁春雨