清華新聞網(wǎng)3月20日電 生殖細(xì)胞（germ cells）是負(fù)責(zé)產(chǎn)生配子（卵子和精子）并實(shí)現(xiàn)遺傳信息跨代傳遞的一類(lèi)特殊細(xì)胞。生殖細(xì)胞的命運(yùn)特化發(fā)生在胚胎發(fā)育早期，主要通過(guò)兩種調(diào)控模式實(shí)現(xiàn)：先成模式（preformation mode）和誘導(dǎo)模式（induction mode）。前者依賴(lài)卵母細(xì)胞中儲(chǔ)存的生殖質(zhì)（germ plasm），早期胚胎中某些特定的細(xì)胞可以通過(guò)繼承生殖質(zhì)直接獲得生殖細(xì)胞命運(yùn)，成為原始生殖細(xì)胞（primordial germ cells, PGCs）。后者通過(guò)胚胎細(xì)胞間BMP信號(hào)通訊誘導(dǎo)，使一部分胚胎細(xì)胞逐漸獲得生殖細(xì)胞命運(yùn)成為PGCs。PGCs的發(fā)育是生殖細(xì)胞發(fā)育開(kāi)端，其發(fā)育異?？梢鹦詣e分化紊亂、配子發(fā)生異常甚至子代胚胎發(fā)育缺陷等嚴(yán)重后果。人類(lèi)和小鼠等哺乳動(dòng)物的PGCs命運(yùn)決定通常采用依賴(lài)BMP信號(hào)的誘導(dǎo)模式，而斑馬魚(yú)、爪蟾、果蠅等物種的PGCs特化則依賴(lài)卵子中儲(chǔ)存的生殖質(zhì)。前期研究中，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孟安明院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)PGCs高表達(dá)BMP的下游效應(yīng)因子Smad1、Smad5、Smad9等基因，且斑馬魚(yú)PGCs中能檢測(cè)到活化形式的磷酸化Smad（phosphorylated Smad, pSmad）蛋白。在斑馬魚(yú)胚胎中，激活形式的BMP信號(hào)是否參與PGCs的發(fā)育調(diào)控？BMP信號(hào)在先成模式與誘導(dǎo)模式中作用機(jī)制是否一致？這些問(wèn)題都有待回答。
3月16日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孟安明院士團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表題為“BMP–Smad1/9信號(hào)調(diào)控斑馬魚(yú)PGC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(hào)并不參與斑馬魚(yú)的PGCs命運(yùn)決定和遷移調(diào)控，而是通過(guò)調(diào)控DNA損傷應(yīng)激通路ATR維持PGCs數(shù)目，從演化-發(fā)育（Evo–Dev）角度闡明了BMP信號(hào)通過(guò)不同分子機(jī)制參與先成模式和誘導(dǎo)模式生物的PGCs發(fā)育調(diào)控。
為了研究BMP–Smad信號(hào)是否參與斑馬魚(yú)PGCs的發(fā)育調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)BMP受體抑制劑處理胚胎，通過(guò)生殖質(zhì)基因ddx4的表達(dá)圖式，以及Tg（piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR）轉(zhuǎn)基因品系標(biāo)記PGCs的活體示蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)PGCs細(xì)胞數(shù)目在BMP受體抑制劑處理后出現(xiàn)了明顯的下調(diào)。為了更加準(zhǔn)確地抑制BMP–Smad信號(hào)下游的效應(yīng)因子Smad的功能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)顯著注射嗎啉環(huán)修飾的翻譯寡核苷酸（morpholino, MO）抑制smad1/9的表達(dá)，同樣檢測(cè)到了PGC細(xì)胞數(shù)目的顯著減少。
鑒于BMP–Smad信號(hào)參與斑馬魚(yú)早期胚胎的背腹分化，且已有報(bào)道稱(chēng)胚胎體細(xì)胞異常也會(huì)引起PGCs遷移的異常。為了進(jìn)一步明確上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中PGCs細(xì)胞數(shù)目的減少是否由BMP信號(hào)在PGCs中的細(xì)胞自主性功能缺失引起，研究團(tuán)隊(duì)采用早期建立的雙轉(zhuǎn)基因CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)，構(gòu)建了PGCs特異性smad1/9條件性敲除模型（smad1/9-cKO），實(shí)現(xiàn)了PGCs中精準(zhǔn)敲除smad1/9而不影響胚胎體細(xì)胞。利用Tg（kop:mEos3.2-CAAX-nanos3 3’UTR）以及Tg（piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR）轉(zhuǎn)基因品系標(biāo)記并追蹤PGCs的發(fā)育，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，PGCs細(xì)胞數(shù)目在野生型胚胎中從shield時(shí)期開(kāi)始顯著增殖，在1-4dpf維持不變。然而，突變體PGCs在shield時(shí)期后的增殖能力較差，并且在1dpf出現(xiàn)了顯著的PGCs細(xì)胞數(shù)目下降，暗示突變體PGCs增殖能力不足且存在凋亡；此外，PGCs并未出現(xiàn)異位遷移。隨后，PGCs活體追蹤、EdU染色、ActiveCaspase-3染色證實(shí)了突變體PGCs增殖受阻且出現(xiàn)了明顯的凋亡信號(hào)。
機(jī)制研究表明BMP–Smad1/9信號(hào)幫助斑馬魚(yú)PGCs抵御DNA復(fù)制壓力（replication stress）。PGCs轉(zhuǎn)錄組分析顯示，smad1-cKO PGCs細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)與DNA損傷應(yīng)答相關(guān)基因顯著上調(diào)；且生殖質(zhì)相關(guān)基因表達(dá)并未發(fā)生改變，指示PGCs細(xì)胞命運(yùn)決定并不受BMP–Smad信號(hào)調(diào)控。pChk1免疫熒光染色結(jié)果顯示ATR–pChk1信號(hào)通路在突變體PGCs中異常活躍，研究團(tuán)隊(duì)利用ATR抑制劑處理突變體胚胎可有效挽救突變體胚胎的PGCs數(shù)量減少的表型。有趣的是，PGCs轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了參與調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA損傷修復(fù)及細(xì)胞周期相關(guān)基因的剪接（splicing）出現(xiàn)了異常。免疫共沉淀和胚胎成像結(jié)果顯示Smad1可直接與剪接體核心組分Snrpb相互作用，這提示Smad1/9在斑馬魚(yú)PGCs中可能通過(guò)調(diào)控mRNA的剪切參與DNA復(fù)制壓力響應(yīng)及細(xì)胞周期與應(yīng)激的調(diào)控。
綜上所述，該研究系統(tǒng)揭示了BMP–Smad1/9信號(hào)直接參與斑馬魚(yú)PGCs發(fā)育調(diào)控。BMP–Smad1/9在PGCs中通過(guò)參與DNA損傷應(yīng)答ATR通路的調(diào)控，幫助PGCs應(yīng)對(duì)早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的DNA復(fù)制壓力，從而維持PGCs數(shù)目。上述結(jié)果闡釋了先成模式和誘導(dǎo)模式在分子機(jī)制上的共性與差異，加深了對(duì)PGCs發(fā)育的演化調(diào)控機(jī)制的理解。
BMP–Smad1/9信號(hào)不參與斑馬魚(yú)PGCs命運(yùn)決定和遷移調(diào)控，而是幫助斑馬魚(yú)PGCs抵御DNA復(fù)制壓力，維持PGCs數(shù)量穩(wěn)定
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員吳小童和孟安明院士為論文共同通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院博士后鄭濤為論文第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2022級(jí)博士生李潔、2024屆博士畢業(yè)生李雅琪、博士后李光遠(yuǎn)、博士后危子航、2025屆博士畢業(yè)生張渭瑩，廣州實(shí)驗(yàn)室博士后姜政，北京科技大學(xué)副教授幸岑璨和碩士生羅山·沙阿（Roshan Shah）為研究作出重要貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所研究員孫永華參與了研究的討論并提供指導(dǎo)。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金卓越研究群體項(xiàng)目（原基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-70624-8
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
