海馬雄性繁衍后代之謎被揭開(kāi)！《Nature Ecology & Evolution》

近日,?中國科學(xué)院南海海洋研究所林強研究員團隊聯(lián)合德國康斯坦茨大學(xué)等機構在海龍科魚(yú)類(lèi)“雄性懷孕”的適應進(jìn)化與分子調控機制取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以?“Cellular?and?molecular?mechanisms?of?seahorse?male?pregnancy”?為題發(fā)表于國際著(zhù)名期刊Nature?Ecology?&?Evolution。該研究聚焦海龍科魚(yú)類(lèi)中雄性承擔懷孕職責的特殊繁殖策略，系統揭示了其育兒袋形成、胚胎營(yíng)養與免疫保護等關(guān)鍵生理過(guò)程的細胞和分子基礎。百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng )空間轉錄組BMKMANU?S1000服務(wù)。

研究背景

胎生是脊椎動(dòng)物中廣泛存在的一種生殖策略，其特征為受精卵在母體內發(fā)育，直至胚胎發(fā)育成熟后才被產(chǎn)出。與這一普遍模式形成鮮明對比的是，海馬科物種演化出了極為特殊的“雄性懷孕”現象，該獨特的生命史策略為研究動(dòng)物生殖系統的演化提供了重要窗口：功能性相似的生殖方式究竟源于趨同的分子機制，抑或是通過(guò)同源通路或全新的細胞調控路徑實(shí)現？盡管已有比較基因組學(xué)研究初步揭示了該生殖方式轉變的遺傳背景，然而相關(guān)基因在特定細胞類(lèi)型中的表達模式及其演化軌跡仍不清楚。

在結構上，海馬育兒袋與有袋類(lèi)動(dòng)物的育兒袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜動(dòng)物子宮與胎盤(pán)的特點(diǎn)。在雄性懷孕過(guò)程中，其育兒袋內層組織發(fā)生顯著(zhù)肥大與血管化，形成一種被稱(chēng)為“偽胎盤(pán)”的結構，可執行氣體交換與營(yíng)養物質(zhì)傳遞等典型的胎盤(pán)功能。此外，海馬在進(jìn)化過(guò)程中丟失了?foxp3?基因——該基因在哺乳動(dòng)物中對調節性T細胞（Treg）的發(fā)育與功能維持具有核心作用，這一遺傳缺失也引發(fā)了對其在懷孕過(guò)程中免疫耐受機制的特殊適應性的探討。

研究?jì)热莺徒Y果

對海馬育兒袋7個(gè)發(fā)育階段進(jìn)行單細胞轉錄組測序，鑒定出14個(gè)細胞簇，分為四大主要細胞類(lèi)型：上皮細胞（EPCs，9個(gè)簇）、成纖維細胞（FBs，2個(gè)簇）、免疫細胞（ICs，2個(gè)簇）和內皮細胞（ENCs，1個(gè)簇）。細胞的空間分布對細胞間相互作用及其功能維持至關(guān)重要。

對妊娠早期胎盤(pán)囊進(jìn)行空間轉錄組測序（測序平臺BMKMANU?S1000）發(fā)現，EPCs在胎盤(pán)囊的三層結構中均呈現高豐度。其中，EPCs-II（高表達C型凝集素）在外層富集，可能暗示其在早期聚集外部吸附物或抑制表皮細菌方面發(fā)揮作用。相比之下，EPCs-III（tfa+）和EPCs-IV（gata1+）在內層富集，與“鐵穩態(tài)”、“細胞遷移”及“血管發(fā)育”相關(guān)，其在雄性妊娠胎盤(pán)形成過(guò)程中可能參與侵襲和血管化過(guò)程。作為細胞外基質(zhì)（ECM）的主要來(lái)源，FBs存在于中間層，富集“膠原蛋白生成”，可能促進(jìn)胎盤(pán)囊結構形成和組織重塑。ICs則分散于三層結構中，調控免疫穩態(tài)。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空間轉錄組數據聯(lián)合分析，作者發(fā)現了具有干細胞潛能的”育兒袋上皮祖細胞（BEPCs）”。研究顯示，該類(lèi)細胞在發(fā)育過(guò)程中與膠原蛋白基因呈現協(xié)同表達，并受到雄激素信號的強烈驅動(dòng)。研究進(jìn)一步證實(shí)，外源性雄激素處理可誘導雌性海馬形成育兒袋結構。由此，雄激素受體及其調控的育兒袋上皮祖細胞作為觸發(fā)育兒袋器官生成的關(guān)鍵起始因子。

在雄性妊娠期間，海馬卵囊內層會(huì )發(fā)生顯著(zhù)的形態(tài)學(xué)改變并呈現肥大，形成類(lèi)似胎盤(pán)的組織結構，在細胞譜系轉變過(guò)程中，多個(gè)海馬特異性基因（如pastn1、sp-chia）在偽胎盤(pán)形成中起關(guān)鍵作用。作者發(fā)現EPC-I（muc15）、EPC-I（cxcl14）和EPC-IV在人類(lèi)中與絨毛外滋養層細胞（EVTs）及絨毛滋養層細胞（VCTs）具有高度相似的基因表達譜，海馬雄性妊娠和哺乳動(dòng)物常規雌性妊娠的胎盤(pán)形成過(guò)程，可能具有趨同的細胞機制和調控基礎。海馬缺乏foxp3基因（哺乳動(dòng)物中調控Treg細胞的關(guān)鍵基因），但可能通過(guò)其它免疫細胞（如cd4+il2rb+?Tregs?和巨噬細胞）維持對胚胎的免疫耐受。

通過(guò)跨物種比較基因組學(xué)與單細胞多組學(xué)分析發(fā)現，盡管存在物種特異性差異，海馬假胎盤(pán)中的多數細胞類(lèi)型在轉錄組特征上高度近似于人類(lèi)的滋養層細胞——后者在調控胎兒生長(cháng)及母體妊娠適應中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，EPCs-II型細胞兼具表皮分化特征與凝集素介導的黏附功能，其可能是卵囊演化起源的重要線(xiàn)索。

進(jìn)一步研究表明，海馬育兒袋與哺乳動(dòng)物子宮在細胞和遺傳層面具有顯著(zhù)同源性。海馬與哺乳動(dòng)物生殖系統所呈現的趨同進(jìn)化現象，可能源于特定細胞類(lèi)型通過(guò)趨同演化形成相似的轉錄特征，進(jìn)而實(shí)現類(lèi)似功能，最終推動(dòng)胎生機制的形成。

研究總結

該研究通過(guò)細胞分子與發(fā)育生物學(xué)的多維度分析，深入解析其卵囊發(fā)育與妊娠過(guò)程中的細胞遺傳動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現，卵囊形成的關(guān)鍵在于一種具有干細胞潛能的“育兒袋上皮祖細胞”群體。體內實(shí)驗證實(shí)，雄激素在卵囊形成中起主導作用。通過(guò)對其它動(dòng)物的對比研究，作者揭示了海馬雄性親代撫育的早期進(jìn)化機制，以及其細胞特征，存在與哺乳動(dòng)物胎生動(dòng)物相似的生命功能的趨同演化。