斑马鱼：研究性腺发育的新模子

摘要：斑马鱼已经在发育生物学和药物遗传学中成为盛行的模式生物。团结强盛的遗传和转基因工具，透明的胚胎和快速的幼体发育，斑马鱼的研究允许对许多动态历程举行详细的细胞剖析。近几十年来，使用斑马鱼模子对性腺发育历程中的细胞和分子机制举行了深入的研究。我们简要概述了这些研究，并重点先容了斑马鱼性别确定和性腺发育中涉及的必需基因。

要害词：性腺发育斑马鱼基因

简介：在动物中，保存两种差别的性别，这关于有性滋生和物种的生涯至关主要。然而，性别决议的机制是转变多端且人们对其知之甚少。与大大都其他高度守旧的发育历程相反，没有一个基因网络可以控制所有物种的性别决议。斑马鱼作为研究生物越来越受接待，特殊是在胚胎发育研究和疾病模子方面。Cas9相关转基因手艺和单细胞RNA序列剖析的最新希望也为相识特定鱼类的性别决媾和性腺发育的细胞事务提供了时机。这些数据使我们能够将斑马鱼中的性腺发育与其他动物中的性腺发育举行较量。

斑马鱼的性别确定和性腺发育：脊椎动物的雄性和雌性生殖道来自统一胚胎组织。性别决议是指性腺分解为睾丸或卵巢所涉及的要害事务。在斑马鱼中，性腺的发育首先履历了卵巢样阶段。受精后第10天（dpf），所有性腺中均可发明早期卵母细胞。虽然直到15dpf才泛起有丝破碎运动的迹象，但早期的二倍体卵母细胞可以视察到一个清晰的幼年卵巢结构，这批注脊椎动物卵子早期爆发。Selman等人凭证斑马鱼卵巢的形态和核型，将斑马鱼的卵子爆发历程分为五个阶段�；诖�，性别分解的特征是泛起核周卵母细胞，最早泛起在17 dpf。在21 dpf时在性腺中泛起这两种分解模式，而在22 dpf时一些性腺最先减数破碎。依赖于多种信号网络，约莫一半的幼年卵巢维持着卵子爆发的途径，另一半的个体履历凋亡，启动“幼年卵巢到睾丸”的性腺转化历程，最终转化为睾丸。到25 dpf时，仍然是双性。31 dpf可视察到性腺的三种形态，包括有核周卵母细胞的幼年卵巢、成熟卵母细胞的假定卵巢、卵母细胞凋亡并发育精原囊肿的假定睾丸。在40 dpf时，雌性性腺在卵子爆发的各个阶段都含有生殖细胞，而在其他性腺中，退化卵母细胞被视察到并被以为是生精运动的第一个迹象。

图1、斑马鱼性腺发育历程中的基因网络。差别的基因在差别的阶段饰演着主要的角色，完成性别决媾和性腺发育的重大生命历程。差别颜色或形状的图形体现差别类型的细胞。

斑马鱼生殖发育的基因网络：性别确定机制主要可以分为两种，遗传性别确定（GSD）和情形性别确定（ESD）。 GSD可以具有单基因或多基因基础。XX / XY系统和ZZ / ZW系统是GSD的两个典范系统。鱼类中保存多种性别决议机制，包括GSD，ESD或GSD-ESD相互作用。斑马鱼没有所谓的“异形性染色体”，它决议人类和其他几种物种的性别。斑马鱼体现出多基因的性别决议，也受到情形的影响。实验室品系缺乏明确的与性相关的性染色体位点，但印度的野生株在Chr4上具有位点，可作为具有情形影响的ZZ / ZW性染色系一切。研究职员已经知道情形因素，例如水温，可以改变斑马鱼种群的性别比。可是，涉及性别确定的基因网络仍然不清晰，有时还保存争议。在这里，我们总结了对斑马鱼的性别决媾和性腺发育至关主要的基因。

生殖细胞特异性基因：

多细胞生物有性生殖需要准确的生殖细胞规格和维持。虽然生殖细胞的规格因物种而异，但分子因子基本上是守旧的。vasa和dnd1（以前的名称：dnd）始终用作生殖细胞特异性标记。在卵裂期检测到母源性vasa和dnd1。已经批注，这两个基因的表达关于生殖细胞的迁徙，存活和维持至关主要。Piwi基因已被判断为认真干细胞和生殖细胞分解的调理卵白。在斑马鱼中，Piwi同源物piwil1和piwil2在雄性和雌性性腺中都表达。 piwil1在胚胎生殖和成年性腺的原代生殖细胞中表达，与vasa共定位。据Houwing等人报道，在幼虫发育历程中piwil1的缺失会触爆发殖细胞凋亡。与piwil1一样，piwil2的丧失也有显著的影响，导致生殖细胞无法分解成成熟的卵母细胞或精子。编码母体mRNA的nanos1在早期胚胎发育阶段在PGC中表达，对PGC的存活和迁徙至关主要。已证实Tudor结构域相关卵白（Tdrds）充当Piwi相互作用卵白，加入精子爆发。缺乏tdrd12的鱼类显示出的生殖细胞数目镌汰，最终35 dpf时损失生殖细胞。别的，在tdrd12突变体衍生的生殖细胞中也视察到减数破碎缺陷。这些基因的准确表达对PGCs的康健形成和性腺的正常发育至关主要。纯合子敲除斑马鱼或这些生殖细胞特异基因的突变体（vasa、dnd1、piwil1、piwil2、nano1和tdrd12）通常都是雄性的，睾丸呈线状；虽然这些鱼可以与雌性交配并刺激产卵，但卵没有受精。另外，ca15b在早期胚胎的PGCs中表达，其表达与vasa相似，批注ca15b是PGCs发育所必需的。另外，dyrk1a的表达始于2细胞期，并保存于斑马鱼囊胚期的所有细胞中，这与PGCs的正常形成有关。dyrk1a的太过表达导致与PGCs发育相关的两个主要因子ca15b和piwil1的表达降低，导致PGCs数目镌汰和迁徙杂乱。斑马鱼dyrk1a与人类DYRK1A高度守旧，这项事情可能为唐氏综合症患者的生殖细胞缺陷提供可能的机制。

睾丸相关基因：

睾丸的准确分解和发育是生殖的基本条件。sox9a，dmrt1，amh，ar和hsf5基因在斑马鱼的“卵巢到睾丸”阶段和睾丸成熟后期阶段中起着主要作用，所有这些关于准确分解和生长睾丸至关主要。SRY-box转录因子9a（sox9a）在斑马鱼体内的表达在18dpf时抵达第一个岑岭，下一个岑岭与ar表达岑岭在22dpf时一致，此时双潜能性腺最先向卵巢或睾丸分解。在睾丸中，sox9a被证实是amh的上游正调理剂和cyp19a1a的上游负调理剂。Webster等人证实晰doublesex和与mab-3相关的转录因子1（dmrt1）关于睾丸的发育是必不可少的，但关于卵巢的发育则是不须要的； dmrt1还通过amh和foxl2基因的转录调控增进雄性发育�？筂üllerian激素（amh）是影响雄性性腺发育的主要因素。它对Müllerian导管的退行以及控制雄性生殖细胞增殖和分解的平衡具有主要意义。雄激素受体（ar）与雄激素相互作用，在雄性发育中施展功效。 ar的转录本在16 dpf和22 dpf时抵达峰值，随后在推测的雄性发育阶段均坚持在较高的稳固水平，这批注它关于雄性分解和维持至关主要。Saju等。发明热休克转录因子家族成员5（hsf5）的表达从35dpf最先增添，在雄性精子爆发和生育的早期阶段起着主要作用。总之，纯合子敲除斑马鱼或这些睾丸相关基因（dmrt1、amh和ar）的突变体通常体现出雌性偏向的性别比例。特殊地，sox9a的异常表达可以阻止斑马鱼幼鱼的卵巢-睾丸转化。缺乏dmrt1表达的雄性腺会导致amh基因表达受损，从而使foxl2基因的表达不再受到限制。相反，在这些dmrt1突变体中，雌性卵巢发育正常。在纯合型amh突变雄性中，由于生殖系的不可控增殖和分解缺陷，可视察到睾丸肥大，生殖细胞增多，精子较少。无ar雄性斑马鱼具有雌性次生性特征，不育，睾丸较小，精子爆发受阻。hsf5-/-突变型雄性不育，精子数目镌汰，精子形态异常，精子活力降低，可是雌性可育。

卵巢相关基因：

爆发卵子并渗透雌激素的卵巢是雌性腺的焦点。诸如cyp19a1a，foxl2，fancl，ca15b，nanos1，nanos2和nanos3等基因配合调理卵巢的准确形成和功效。sox9a的低表达或无表达阻止双潜能性腺发育成雄性性腺；随后，性腺最先向雌性分解，cyp19a1a表达增添。cyp19a1a基因编码的芳香化酶限制了从睾丸激素向雌激素的转化速率，并且在性别分解历程中起着双重作用：cyp19a1a的低表达关于睾丸分解是必需的，而cyp19a1a的高表达关于卵巢分解和维持雌性至关主要。foxl2关于哺乳动物卵巢发育和维持至关主要。斑马鱼中有两个foxl2同源基因，划分名为foxl2a和foxl2b。在卵巢分解和发育历程中，foxl2a的表达高于foxl2b，成熟卵巢中foxl2b的表达更为富厚。foxl2a和foxl2b的功效是相辅相成的，它们配合调理卵巢的发育和维持，而foxl2b在卵巢维持和预防转化雄性中起着更详细的作用。fancl，Fanconi / BRCA DNA修复途径的成员，在发育中的卵母细胞和精母细胞中表达。特殊是，fancl通过减数破碎使卵母细胞前进，同时维持cyp19a1a表达并下调amh表达，对卵巢的分解和发育至关主要。别的，如前所述，ca15b在早期胚胎的PGC中表达。 Wang等人还发明ca15b在成年雌性的卵母细胞中表达，这批注ca15b可能在卵子爆发中具有主要作用。别的，在雌性性腺发育历程中，nanos1的表达关于维持卵母细胞的天生是必需的。nanos2和nano3对维持卵巢生殖系干细胞（GSCs）很主要。

这些卵巢相关基因的异常表达可导致各自的异常表型。cyp19a1a缺失突变斑马鱼雌激素的生物合成是有缺陷的，虽然雄性cyp19a1a突变体是可育的，但雌激素的作用会导致卵巢样性腺在性别分解历程中消逝，并导致所有雄性的性别分解延迟。别的，cyp19a1a表达失调导致其他基因如sox9a、amh、dmrt1和foxl2在性腺分解期的异常表达。foxl2a突变纯合子具有正常的1：1性别比，而foxl2b破损会导致成年雌性部分性逆转。 foxl2a-/-和foxl2b-/-突变体最初都执行正常的卵巢分解和卵母细胞发育。然而，成熟后，睾丸相关基因（sox9a、amh和dmrt1）表达增添，而与之相反，卵巢相关基因cyp19a1a在foxl2a–/–或foxl2b–/?雌性突变体中表达镌汰。雌性成年斑马鱼的卵巢加速老化和卵母细胞减数破碎异常，与人类患者卵巢早衰（POF）相关的情形相似。在斑马鱼中，一些foxl2b–/?纯合子雌性突变体从180 dpf最先爆发性反转。别的，foxl2b基因缺陷的雌性同时泛起了性反转。fancl纯合突变体由于牝牡性反转而发育为所有可育雄性。异常凋亡导致卵母细胞缺失，雌性特异性基因（如cyp19a1a）表达无法维持，雄性特异性基因（如amh）表达上调。另外，nanos1突变体雌性在受精后6个月完全不育，而nano3突变体成年雌性最初是可育的，但在5个月后转变为不育。

其他主要基因：

除上述基因外，尚有一些基因在雄性和雌性斑马鱼的发育历程中起着主要作用，调理它们性腺的发育。这里我们先容brca2、cyp17a1和cyp11c1的功效。斑马鱼fancd1（brca2）和fancl与人类FANCD1（BRCA2）和FANCL同源，在结构和功效上均守旧。它们是Fanconi Anemia（FA）基因中的两个，有助于DNA修复和维持基因组稳固性。上面已经形貌了fancl的功效。brca2在斑马鱼发育期卵母细胞和成熟卵母细胞中均有表达，而在睾丸中，brca2在精原细胞和发育精母细胞中均有表达，但在成熟精子中不表达。brca2是建设或维持卵母细胞核结构所必需的，对卵巢发育至关主要。所有纯合的brca2成年突变体均为男性，这是由于卵母细胞在幼年期未能通过减数破碎而希望，导致雌性至雄性逆转。

cyp17a1加入爆发雌激素和雄激素的类固醇天生途径，对斑马鱼的性发育具有主要意义。雄性激素是睾丸发育所必需的，维持雄性典范的第二性征和正常的交配行为。同时，雌激素对卵巢分解是必不可少的。cyp17a1缺乏的斑马鱼都是雄性，由于雌激素的生物合成受阻。同时，雄性也体现出雌性的特征，包括浅黄色的肛鳍着色和深玄色的身体色素冷静，以及失去平行游泳和抓握的能力，导致雌性产卵失败，这是由于雄激素合成受损造成的。

斑马鱼cyp11c1编码11β-羟化酶，对11-酮睾酮（11-KT）和皮质醇的生物合成具有主要作用。Zhang等人发明cyp11c1在30和35dpf时都在睾丸和卵巢中表达，然后在45 dpf后在睾丸中特异表达。与野生型相比，cyp11c1–/?鱼类的性别比没有显著差别。

综上所述，这些优势意味着未来斑马鱼旨在相识重大性腺发育的事情将有可能支持和改善腾博会官网心理病理学知识，对人类具有诊断和治疗潜力。

原文出自：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2001037020303780

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