近日,?中國科學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等機構(gòu)在海龍科魚類“雄性懷孕”的適應(yīng)進化與分子調(diào)控機制取得突破性進展，相關(guān)研究成果以?“Cellular?and?molecular?mechanisms?of?seahorse?male?pregnancy”?為題發(fā)表于國際著名期刊Nature?Ecology?&?Evolution。該研究聚焦海龍科魚類中雄性承擔懷孕職責的特殊繁殖策略，系統(tǒng)揭示了其育兒袋形成、胚胎營養(yǎng)與免疫保護等關(guān)鍵生理過程的細胞和分子基礎(chǔ)。百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)空間轉(zhuǎn)錄組BMKMANU?S1000服務(wù)。

研究背景

胎生是脊椎動物中廣泛存在的一種生殖策略，其特征為受精卵在母體內(nèi)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(xiàn)象，該獨特的生命史策略為研究動物生殖系統(tǒng)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，抑或是通過同源通路或全新的細胞調(diào)控路徑實現(xiàn)？盡管已有比較基因組學研究初步揭示了該生殖方式轉(zhuǎn)變的遺傳背景，然而相關(guān)基因在特定細胞類型中的表達模式及其演化軌跡仍不清楚。

在結(jié)構(gòu)上，海馬育兒袋與有袋類動物的育兒袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜動物子宮與胎盤的特點。在雄性懷孕過程中，其育兒袋內(nèi)層組織發(fā)生顯著肥大與血管化，形成一種被稱為“偽胎盤”的結(jié)構(gòu)，可執(zhí)行氣體交換與營養(yǎng)物質(zhì)傳遞等典型的胎盤功能。此外，海馬在進化過程中丟失了?foxp3?基因——該基因在哺乳動物中對調(diào)節(jié)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)了對其在懷孕過程中免疫耐受機制的特殊適應(yīng)性的探討。

研究內(nèi)容和結(jié)果

對海馬育兒袋7個發(fā)育階段進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定出14個細胞簇，分為四大主要細胞類型：上皮細胞（EPCs，9個簇）、成纖維細胞（FBs，2個簇）、免疫細胞（ICs，2個簇）和內(nèi)皮細胞（ENCs，1個簇）。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。

對妊娠早期胎盤囊進行空間轉(zhuǎn)錄組測序（測序平臺BMKMANU?S1000）發(fā)現(xiàn)，EPCs在胎盤囊的三層結(jié)構(gòu)中均呈現(xiàn)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(nèi)層富集，與“鐵穩(wěn)態(tài)”、“細胞遷移”及“血管發(fā)育”相關(guān)，其在雄性妊娠胎盤形成過程中可能參與侵襲和血管化過程。作為細胞外基質(zhì)（ECM）的主要來源，F(xiàn)Bs存在于中間層，富集“膠原蛋白生成”，可能促進胎盤囊結(jié)構(gòu)形成和組織重塑。ICs則分散于三層結(jié)構(gòu)中，調(diào)控免疫穩(wěn)態(tài)。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，作者發(fā)現(xiàn)了具有干細胞潛能的”育兒袋上皮祖細胞（BEPCs）”。研究顯示，該類細胞在發(fā)育過程中與膠原蛋白基因呈現(xiàn)協(xié)同表達，并受到雄激素信號的強烈驅(qū)動。研究進一步證實，外源性雄激素處理可誘導雌性海馬形成育兒袋結(jié)構(gòu)。由此，雄激素受體及其調(diào)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(nèi)層會發(fā)生顯著的形態(tài)學改變并呈現(xiàn)肥大，形成類似胎盤的組織結(jié)構(gòu)，在細胞譜系轉(zhuǎn)變過程中，多個海馬特異性基因（如pastn1、sp-chia）在偽胎盤形成中起關(guān)鍵作用。作者發(fā)現(xiàn)EPC-I（muc15）、EPC-I（cxcl14）和EPC-IV在人類中與絨毛外滋養(yǎng)層細胞（EVTs）及絨毛滋養(yǎng)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物常規(guī)雌性妊娠的胎盤形成過程，可能具有趨同的細胞機制和調(diào)控基礎(chǔ)。海馬缺乏foxp3基因（哺乳動物中調(diào)控Treg細胞的關(guān)鍵基因），但可能通過其它免疫細胞（如cd4+il2rb+?Tregs?和巨噬細胞）維持對胚胎的免疫耐受。

通過跨物種比較基因組學與單細胞多組學分析發(fā)現(xiàn)，盡管存在物種特異性差異，海馬假胎盤中的多數(shù)細胞類型在轉(zhuǎn)錄組特征上高度近似于人類的滋養(yǎng)層細胞——后者在調(diào)控胎兒生長及母體妊娠適應(yīng)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索。

進一步研究表明，海馬育兒袋與哺乳動物子宮在細胞和遺傳層面具有顯著同源性。海馬與哺乳動物生殖系統(tǒng)所呈現(xiàn)的趨同進化現(xiàn)象，可能源于特定細胞類型通過趨同演化形成相似的轉(zhuǎn)錄特征，進而實現(xiàn)類似功能，最終推動胎生機制的形成。

研究總結(jié)

該研究通過細胞分子與發(fā)育生物學的多維度分析，深入解析其卵囊發(fā)育與妊娠過程中的細胞遺傳動態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)實驗證實，雄激素在卵囊形成中起主導作用。通過對其它動物的對比研究，作者揭示了海馬雄性親代撫育的早期進化機制，以及其細胞特征，存在與哺乳動物胎生動物相似的生命功能的趨同演化。