水生所在鱼类母源因子与胚胎发育和生殖细胞操作研究中取得系列重要进展
高效繁育和优良品种是可持续发展水产养殖的基本前提。开展母源因子与胚胎发育的研究可以指导鱼类卵子质量的研究和提升卵质；开展基因编辑和“借腹怀胎”等前沿育种生物技术的研究，是实现快速定向育种的关键。近日，中国科学院水生生物研究所孙永华研究员团队在鱼类母源因子与胚胎发育的基础研究领域以及鱼类基因编辑配子的“借腹怀胎”等前沿育种技术研究领域取得重要进展。
背部组织中心（dorsal organizer）在胚胎体轴建立和早期胚胎发育过程中扮演着重要的角色。已有的研究表明，母源提供的β-catenin在胚胎背侧的细胞中大量入核，激活背部组织中心基因boz、chd等的表达，诱导背部体轴发育。然而，胚胎的非背侧细胞中仍然存在少量的β-catenin入核，其转录活性是如何被精确控制的，尚属于学术界的难题。
7月23日，水生所孙永华研究员团队在国际学术期刊PLOS Biology在线发表了题为“Nanog通过与TCF因子结合抑制母源β-catenin信号的全局性激活从而保护早期胚胎发育”的最新研究成果。该团队利用斑马鱼模型，通过一系列基因敲降、基因敲除、蛋白定点突变、蛋白互作等手段，揭示了全能性相关因子Nanog调控鱼类早期胚胎发育的新机制：在非背侧细胞中，母源提供的大量Nanog占优势地位，其与TCF7结合，干扰β-catenin/TCF7转录激活复合体的形成，使得细胞中的母源β-catenin转录活性处于抑制状态；而在背侧细胞中，母源提供的β-catenin占优势地位，其与TCF7结合，激活母源β-catenin转录活性和背部基因的表达，从而诱导背部组织中心的形成。在缺失Nanog的母源合子突变体（MZnanog）中，由于缺乏Nanog对核内存在的母源β-catenin活性的有效抑制，母源β-catenin转录活性在非背部组织中心细胞中过度激活，从而导致胚胎严重背部化和早期胚胎败育（图1）。有趣的是，nanog在卵质差的鱼卵中表达量显著偏低，因此nanog有可能成为一个评估和提升鱼类卵质的重要靶点。
图1 Nanog抑制母源β-catenin信号的全局性激活从而保护早期胚胎发育的新机制
以上论文，水生所助理研究员何牡丹为第一作者，孙永华研究员为通讯作者，博士生张茹、焦圣博、张峰华等参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金（批准号：31721005、31671501、31702323）、国家重点研发计划（批准号：2018YFA0801000），中国科学院青年创新促进会以及淡水生态与生物技术国家重点实验室项目（批准号：2019FBZ05）等资助。
2019年以来，孙永华研究员团队还在鱼类生殖细胞发育和基因编辑配子“借腹怀胎”的前沿生物技术领域取得重要进展。他们利用多元件调控等手段，构建了全时相无间断标记斑马鱼生殖细胞谱系的新技术，揭示了诱导早期原始生殖细胞促进雌性分化的新机制(叶鼎等，Marine Biotechnology, 2019)，相关论文入选Springer Nature出版社2019年度的亮点论文（Springer Nature 2019 Highlights，图2）。
图2 叶鼎等发表的Marine Biotechnology论文入选Springer Nature出版社2019年度的亮点论文
近期，该团队优化了鱼类“借腹怀胎”的技术流程，首次建立了鱼类基因编辑配子“借腹怀胎”的新技术，实现了高效快速获得致死基因的母源合子突变体(张峰华等，Journal of Genetics and Genomics, 2020)，相关论文被国际学术论文评估机构F1000 Prime专门推荐（图3）。
图3 国际学术论文评估机构F1000 Prime专门推荐张峰华等发表的Journal of Genetics and Genomics论文
更进一步，该团队通过构建合成11-酮基睾酮(11-ketotestosterone，11-KT)和皮质醇的共享酶Cyp11c1的编码基因的敲除模型，首次发现11-KT是驱动原始性腺完成“卵巢-精巢转换”最为重要的雄激素，并在精巢间质细胞发育和雄性配子的成熟过程中发挥关键作用（图4），相关论文发表于美国内分泌学会会刊Endocrinology（张崎峰等，Endocrinology, 2020）。以上研究，为最终利用模式鱼类“借腹怀胎”生产出基因编辑的经济鱼类配子、提升鱼类遗传育种效率奠定了重要的理论和技术基础。
图4 Cyp11c1通过11-KT调控雄性配子的形成
文章链接：
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000561
https://doi.org/10.1007/s10126-019-09874-1
