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水生所在魚類母源因子與胚胎發育和生殖細胞操作研究中取得系列重要進展
作者: 何牡丹 | 2020-07-24 | 瀏覽量:

  高效繁育和優良品種是可持續發展水產養殖的基本前提。開展母源因子與胚胎發育的研究可以指導魚類卵子質量的研究和提升卵質;開展基因編輯和“借腹懷胎”等前沿育種生物技術的研究,是實現快速定向育種的關鍵。近日,中國科學院水生生物研究所孫永華研究員團隊在魚類母源因子與胚胎發育的基礎研究領域以及魚類基因編輯配子的“借腹懷胎”等前沿育種技術研究領域取得重要進展。 

  背部組織中心(dorsal organizer)在胚胎體軸建立和早期胚胎發育過程中扮演著重要的角色。已有的研究表明,母源提供的β-catenin在胚胎背側的細胞中大量入核,激活背部組織中心基因bozchd等的表達,誘導背部體軸發育。然而,胚胎的非背側細胞中仍然存在少量的β-catenin入核,其轉錄活性是如何被精確控制的,尚屬于學術界的難題。 

  723日,水生所孫永華研究員團隊在國際學術期刊PLOS Biology在線發表了題為“Nanog通過與TCF因子結合抑制母源β-catenin信號的全局性激活從而保護早期胚胎發育的最新研究成果。該團隊利用斑馬魚模型,通過一系列基因敲降、基因敲除、蛋白定點突變、蛋白互作等手段,揭示了全能性相關因子Nanog調控魚類早期胚胎發育的新機制:在非背側細胞中,母源提供的大量Nanog占優勢地位,其與TCF7結合,干擾β-catenin/TCF7轉錄激活復合體的形成,使得細胞中的母源β-catenin轉錄活性處于抑制狀態;而在背側細胞中,母源提供的β-catenin占優勢地位,其與TCF7結合,激活母源β-catenin轉錄活性和背部基因的表達,從而誘導背部組織中心的形成。在缺失Nanog的母源合子突變體(MZnanog)中,由于缺乏Nanog對核內存在的母源β-catenin活性的有效抑制,母源β-catenin轉錄活性在非背部組織中心細胞中過度激活,從而導致胚胎嚴重背部化和早期胚胎敗育(圖1)。有趣的是,nanog在卵質差的魚卵中表達量顯著偏低,因此nanog有可能成為一個評估和提升魚類卵質的重要靶點。 

  1  Nanog抑制母源β-catenin信號的全局性激活從而保護早期胚胎發育的新機制 

  以上論文,水生所助理研究員何牡丹為第一作者,孫永華研究員為通訊作者,博士生張茹、焦圣博、張峰華等參與了該項工作。該研究得到國家自然科學基金(批準號:317210053167150131702323)、國家重點研發計劃(批準號:2018YFA0801000),中國科學院青年創新促進會以及淡水生態與生物技術國家重點實驗室項目(批準號:2019FBZ05)等資助。 

  2019年以來,孫永華研究員團隊還在魚類生殖細胞發育和基因編輯配子“借腹懷胎”的前沿生物技術領域取得重要進展。他們利用多元件調控等手段,構建了全時相無間斷標記斑馬魚生殖細胞譜系的新技術,揭示了誘導早期原始生殖細胞促進雌性分化的新機制(葉鼎等,Marine Biotechnology, 2019),相關論文入選Springer Nature出版社2019年度的亮點論文(Springer Nature 2019 Highlights,圖2)。 

  2 葉鼎等發表的Marine Biotechnology論文入選Springer Nature出版社2019年度的亮點論文 

  近期,該團隊優化了魚類“借腹懷胎”的技術流程,首次建立了魚類基因編輯配子借腹懷胎的新技術,實現了高效快速獲得致死基因的母源合子突變體(張峰華等,Journal of Genetics and Genomics, 2020),相關論文被國際學術論文評估機構F1000 Prime專門推薦(圖3)。 

  3 國際學術論文評估機構F1000 Prime專門推薦張峰華等發表的Journal of Genetics and Genomics論文 

  更進一步,該團隊通過構建合成11-酮基睪酮(11-ketotestosterone11-KT)和皮質醇的共享酶Cyp11c1的編碼基因的敲除模型,首次發現11-KT是驅動原始性腺完成“卵巢-精巢轉換”最為重要的雄激素,并在精巢間質細胞發育和雄性配子的成熟過程中發揮關鍵作用(圖4),相關論文發表于美國內分泌學會會刊Endocrinology(張崎峰等,Endocrinology, 2020)。以上研究,為最終利用模式魚類“借腹懷胎”生產出基因編輯的經濟魚類配子、提升魚類遺傳育種效率奠定了重要的理論和技術基礎。 

  4 Cyp11c1通過11-KT調控雄性配子的形成 

    

  文章鏈接: 

  https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000561 

  https://doi.org/10.1007/s10126-019-09874-1 

  https://doi.org/10.1016/j.jgg.2019.12.004 

  https://doi.org/10.1210/endocr/bqaa048 

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