孫 武,羅 靜, 李發(fā)弟,2,李萬宏,樂祥鵬*
(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,蘭州 730020; 2. 甘肅省肉羊繁育生物技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,民勤 733300)
睪丸作為雄性哺乳動(dòng)物特有的生殖器官,具有生成精子、分泌雄性激素等重要功能,其正常的結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能是繁殖活動(dòng)的基礎(chǔ)。此外,公畜睪丸大小,一般以陰囊周長(scrotal circumference,SC)來表示,因其測量簡單,遺傳力高,選擇效果好等優(yōu)點(diǎn)成為遺傳改良公畜及其半同胞母畜的一個(gè)重要指標(biāo)[1-3]。在不同的哺乳動(dòng)物中,均發(fā)現(xiàn)睪丸大小與射精量、精子密度、精子活力等呈顯著正相關(guān),與精子畸形率緊密負(fù)相關(guān)[1, 4-5]。鑒于睪丸大小的遺傳力高達(dá)0.67[6],因此通過睪丸大小對種公畜進(jìn)行選擇被認(rèn)為是遺傳改良群體固有繁殖力最快和最有效的方法。睪丸的發(fā)育是一個(gè)高度復(fù)雜而精密的過程,涉及生殖細(xì)胞的增殖分化、支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育與成熟等[7],成為動(dòng)物繁殖學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。
近些年來,隨著生物科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,各種組學(xué)技術(shù)日新月異,以mRNA、miRNA、lncRNA、piRNA等為主的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究得到了廣泛關(guān)注。研究證實(shí)它們在機(jī)體生長、發(fā)育和凋亡等過程中具有重要的調(diào)控意義[8]。同機(jī)體其它器官和組織一樣,睪丸的正常發(fā)育和精子生成也會(huì)受到蛋白編碼基因和非編碼RNA的嚴(yán)格調(diào)控。目前,哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育相關(guān)mRNA、miRNA、lncRNA和piRNA等為主的測序以及對睪丸發(fā)育精子生成起調(diào)控作用的分子功能研究已經(jīng)被廣泛報(bào)道。本文綜述了近年來睪丸發(fā)育相關(guān)mRNA、miRNA、lncRNA和piRNA等的研究進(jìn)展,以期為后續(xù)科學(xué)研究以及生產(chǎn)實(shí)踐提供參考和理論依據(jù)。
揭示哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育機(jī)制首要工作是得到其完整的睪丸mRNA表達(dá)譜。近幾年來,RNA-seq技術(shù)的發(fā)展對揭示各種生物發(fā)育過程mRNA的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制十分奏效,尤其是哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育的研究。睪丸發(fā)育過程mRNA表達(dá)譜的鑒定主要集中于小鼠、人類、豬、牛。睪丸發(fā)育過程中比較重要的兩個(gè)階段是性成熟前包括胎兒期、幼年期和性成熟后[9]。性成熟前,睪丸組織的支持細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞和生精細(xì)胞都處于快速增殖分化狀態(tài),而性成熟之后增殖狀態(tài)進(jìn)入平臺(tái)期。Gong等[10]對6日齡、4周齡和10周齡小鼠睪丸組織進(jìn)行RNA-seq研究,鑒定出18 837個(gè)基因,并且幼齡期睪丸基因表達(dá)模式顯著的區(qū)別于性成熟期和成年期,發(fā)現(xiàn)絕大部分差異表達(dá)基因均與睪丸發(fā)育及精子發(fā)生相關(guān),其中篩選到的差異表達(dá)基因VIM(vimentin)隨著發(fā)育階段的推后表達(dá)量逐步降低,在小鼠、豬、人等物種中都發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)論。該基因?qū)儆谥С旨?xì)胞與間質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞骨架成分,故推測其參與支持細(xì)胞-生精細(xì)胞間的物質(zhì)和信息交流,對精子發(fā)生及維持支持細(xì)胞形態(tài)起重要作用[11]。在4周齡小鼠睪丸中超高表達(dá)的INSL3 (insulin-like factor 3),是間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的一種激素,與睪丸引帶發(fā)育和睪丸下降有關(guān)[12]。Pitia等[13]以牛、綿羊和山羊?yàn)檠芯繉ο螅M(jìn)一步探討INSL3基因?qū)ΣG丸發(fā)育以及精子功能的影響,結(jié)果表明,正常公牛睪丸INSL3的表達(dá)水平顯著高于低繁殖力公牛(P<0.05),并且通過HE染色進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其在低繁殖力公牛精母細(xì)胞中表達(dá)水平顯著低于高繁殖力公牛(P<0.05)。這些證據(jù)表明,INSL3可以作為早期公畜選擇的候選基因。Ran等[14]分別對60和90胚齡豬胚胎、產(chǎn)后30和180日齡豬的睪丸組織進(jìn)行RNA-Seq分析,鑒定出8 343個(gè)差異表達(dá)基因,通過GO富集分析得到了與睪丸發(fā)育相關(guān)的重要候選基因(SOX9、GATA4、FOG2、INHBA、Sry、SPAG6、RanBP9、TGF-β家族)以及調(diào)控睪丸發(fā)育、精子生成的一些重要通路(MAPK、Hedgehog、Wnt/β-catenin、PI3K-Akt)。Song等[15]對產(chǎn)后60和180日齡大白豬的睪丸組織進(jìn)行RNA-seq,鑒定出242個(gè)參與精子發(fā)生的關(guān)鍵基因,包括PIWIL、SPATA、KIT、INHBA、SPAG6、RanBP9等。大量研究證實(shí)[16],INHBA基因在性成熟前表達(dá)量顯著地高于性成熟后,并且對生殖細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的物質(zhì)交流很重要。Parker等[17]利用GWAS方法揭示INHBA基因的一個(gè)SNP(rs6279141)與小鼠睪丸重量顯著關(guān)聯(lián)(P=4.51×10-18),推測該基因可以顯著影響小鼠睪丸形態(tài)發(fā)生,睪丸細(xì)胞增殖和睪丸重量。這些研究暗示,INHBA基因可能是決定睪丸發(fā)育的重要候選分子。RanBP9基因?qū)π坌陨臣?xì)胞發(fā)育和雄性生育能力有重要作用[18]。將RanBP9敲除后,RanBP9-/-雄性小鼠在發(fā)育過程中出現(xiàn)精原細(xì)胞的增殖能力顯著下降、生精小管管腔變小、生殖細(xì)胞迅速減少甚至消失等現(xiàn)象。
Li等[19]利用高通量測序技術(shù)(next generation sequencing, NGS)對兩個(gè)豬品種性成熟前后的睪丸組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,得到了許多決定睪丸發(fā)育以及精子發(fā)生的候選基因,比如SMAD4、c-kit、GPR54等。SMAD4基因通過調(diào)節(jié)間質(zhì)細(xì)胞和支持細(xì)胞的增殖分化進(jìn)而調(diào)控公畜的生殖系統(tǒng)。c-kit作為生精過程中重要的信號(hào)傳遞受體,對生殖細(xì)胞(germ cell,GC)的存活、遷移和精原細(xì)胞的維持及分化起關(guān)鍵作用[20]。GPR54參與下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamus-pituitary gland axis,HPG)生殖調(diào)控,通過GnRH調(diào)控LH和FSH水平。GPR54基因敲除雄性小鼠表現(xiàn)出睪丸和陰莖不能正常發(fā)育,并且不能產(chǎn)生精子,由此推測,GPR54缺失和突變切斷了GnRH的脈沖性釋放,進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)物生殖功能的喪失[21]。
鐘金城等[22]通過RNA-seq對犏牛和牦牛睪丸組織做了比較研究,分別獲得18 529和17 784個(gè)蛋白編碼基因,其中共表達(dá)基因17 120個(gè),新基因478個(gè),同樣發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的基因均與精子發(fā)生相關(guān),包括SPEF2、MBL2等。郭芳等[23]研究表明,SPEF2在初生和成年公牛睪丸組織中差異表達(dá),并且其可變剪切體和功能性SNP位點(diǎn)與公牛精液品質(zhì)密切相關(guān)。白井巖等[24]發(fā)現(xiàn),公牛MBL2基因多態(tài)性與精液品質(zhì)及后裔生產(chǎn)性能有顯著關(guān)聯(lián)性。同時(shí),將牦牛和犏牛睪丸組織中獲得的差異表達(dá)基因進(jìn)行KEGG分析發(fā)現(xiàn),32條顯著富集的代謝通路(P< 0.01),幾乎全部通路均與睪丸發(fā)育過程密切相關(guān)[22]。Chang等[25]對牛20日齡、8月齡、2周歲的睪丸組織進(jìn)行NGS測序,在Y染色體雄性特異區(qū)鑒定到1 274個(gè)差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄本,并呈現(xiàn)不同的表達(dá)模式,表明Y染色體基因可能在睪丸的發(fā)育和雄性繁殖力上起關(guān)鍵作用。以上研究表明,哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育過程存在許多差異表達(dá)基因,并且它們存在階段依賴性,蛋白編碼基因可以通過多種作用方式對睪丸發(fā)育起到關(guān)鍵的調(diào)控作用,通過一些遺傳變異,包括單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)、拷貝數(shù)變異(copy number variations, CNVs)、插入缺失(insert and deletion, Indel)影響基因表達(dá),進(jìn)而影響了睪丸發(fā)育過程以及精子生成過程,這種調(diào)控作用在物種之間可能具有差異性,其原因推測,可能與哺乳動(dòng)物的馴化、遷徙、基因滲透、生存環(huán)境顯著相關(guān)。
microRNA是一種內(nèi)源性的非編碼小RNA,通常與靶基因的3′UTR、CDS和5′UTR相結(jié)合來負(fù)調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄[26-29]。miRNA在不同哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育及精子發(fā)生過程中扮演重要角色,并且其表達(dá)還具有種屬特異性和時(shí)間特異性。Sree等[30]對8、16、24日齡小鼠睪丸組織進(jìn)行NGS測序,并且構(gòu)建miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò),找到一些樞紐miRNA,如miR-34c、miR-221、miR-222、miR-20和miR-106a等。研究發(fā)現(xiàn),miR-34c主要表達(dá)于粗線期精母細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞,并且可以和精子發(fā)生重要轉(zhuǎn)錄因子TGIF2和NOTCH2互作,共同調(diào)控精子發(fā)生的進(jìn)程[31]。因此,推測miR-34c是精子發(fā)生的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)器,miR-34c能夠下調(diào)p53通路下游RARG、STRA8與c-MYC的表達(dá),進(jìn)而抑制奶山羊雄性生殖干細(xì)胞的增殖[32-33]。miR-221和miR-222在轉(zhuǎn)錄后水平負(fù)調(diào)控c-kit的表達(dá),同時(shí)miR-221和miR-222過表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)未分化的精原干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閏-kit陽性分化的精原細(xì)胞[34]。miR-20和miR-106a存在于精原干細(xì)胞(spermatogonial stem cell, SSC),并且通過在轉(zhuǎn)錄后水平靶向STAT3和Ccnd1參與SSC自我更新和精原細(xì)胞的分化[35]。
在豬上,Huang等[36]發(fā)現(xiàn)miR-375和miR-499在軍牧1號(hào)白豬1和6月齡睪丸組織存在差異表達(dá);進(jìn)一步通過雙熒光素酶報(bào)告基因法、實(shí)時(shí)熒光定量和蛋白免疫印跡等方法發(fā)現(xiàn)miR-375和miR-499可分別負(fù)向調(diào)控靶基因DIAPH2和QKI[37-38],結(jié)合睪丸組織發(fā)育HE染色切片,推測不同發(fā)育階段的miR-375/499及其各自的靶基因的差異表達(dá)可能和睪丸組織發(fā)育程度有關(guān)。隨后,許多學(xué)者在不同發(fā)育階段豬睪丸組織中鑒定到大批差異表達(dá)mRNA和miRNA,并通過構(gòu)建miRNA-mRNA互作調(diào)控網(wǎng)路篩選出了許多核心miRNA,包括miR-18、miR-21、miR-135a 等[14, 39-40]。miR-18在精子發(fā)生過程中以熱休克因子2(heat shock factor 2,HSF2)為靶目標(biāo),而HSF2是一個(gè)廣泛影響發(fā)育過程的重要轉(zhuǎn)錄因子;輸精管中miR-18下調(diào)會(huì)增加HSF2 mRNA的表達(dá),進(jìn)而改變HSF2蛋白表達(dá)水平[41]。miR-135a和miR-21可以分別通過靶向FoxO1和ETV5,從而促進(jìn)SSC的增值和維持SSC數(shù)量[42-43]。
廖珂[44]進(jìn)行牦牛、普通牛、犏牛睪丸組織的miRNA鑒定及生物學(xué)功能研究發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)miRNA(bta-miR-125a、bta-miR-125b、bta-miR-26a、bta-miR-26b)調(diào)控的靶基因涉及細(xì)胞凋亡機(jī)制,可能與犏牛精子發(fā)生阻滯相關(guān)。綜上所述,miRNA表達(dá)模式在哺乳動(dòng)物體內(nèi)是固定的,但由于物種、組織的不同,這種固定表達(dá)模式也隨之變化;miRNA表達(dá)譜鑒定以及miRNA與mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的互作分析對于解析哺乳動(dòng)物的睪丸發(fā)育以及精子發(fā)生過程遺傳機(jī)制提供了一定的理論基礎(chǔ)。
長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是一類長度>200 nt的非編碼RNA,其來源于基因組,并且占有很大的比例,是最近幾年研究的一個(gè)熱點(diǎn)[45]。LncRNA在睪丸發(fā)育和雄性生殖細(xì)胞增殖中起到很重要的作用。Nishant等[46]發(fā)現(xiàn)了一個(gè)長度為2.4 kb的Mrhl-lncRNA,其在小鼠GC1期精原細(xì)胞的核仁中特異性表達(dá),通過與p68蛋白相互作用阻斷Wnt信號(hào)通路,從而調(diào)控精子發(fā)生過程。Anguera等[47]發(fā)現(xiàn),Tsx-lncRNA在粗線期精母細(xì)胞中特異性表達(dá),暗示Tsx在生殖細(xì)胞減數(shù)分裂起調(diào)節(jié)作用。Sun等[48]以6日齡和8周齡小鼠的睪丸組織為研究對象,篩選出8 265個(gè)lncRNA,其中3 025個(gè)差異表達(dá)。同時(shí),發(fā)現(xiàn)大量lncRNA(Ovol1、Ovol2、Lhx1、Sox3、Sox9、Plzf、c-Kit、Wt1、Sycp2、Prm1和Prm2)跟一些關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子相互毗鄰,共同參與精子發(fā)生過程。
Ran等[49]對豬30和180日齡的睪丸組織進(jìn)行了lncRNA測序,共鑒定出777個(gè)lncRNA,其中735個(gè)為共有l(wèi)ncRNA,并且篩選到101個(gè)差異表達(dá)lncRNA,其中,20個(gè)在幼年睪丸特異性表達(dá),22個(gè)在成年睪丸中特異性表達(dá);33個(gè)GO條目和7個(gè)通路被顯著富集,主要通路有TNF、AMPK和Estrogen。韓聰[50]發(fā)現(xiàn),幼齡陜北白絨山羊睪丸組織lncRNA表達(dá)顯著區(qū)別于性成熟期和成年期,差異表達(dá)的lncRNA可能通過各種途徑調(diào)控生精細(xì)胞的發(fā)育。綜上, lncRNA作為一種調(diào)節(jié)分子已證實(shí)與機(jī)體發(fā)育[51-52]、X染色體失活[53-54]、基因組印記[55]及疾病[56-57]等方面至關(guān)重要,但它到底是如何調(diào)控哺乳動(dòng)物睪丸的發(fā)育,還有待進(jìn)一步深入研究,因此闡明lncRNA對睪丸組織發(fā)育及精子生成過程的影響對分子育種具有重要科學(xué)意義。
piRNA是一類特異性在動(dòng)物生殖細(xì)胞中表達(dá)的非編碼小分子RNA,和Piwi蛋白特異性結(jié)合在一起,參與生殖干細(xì)胞和生殖細(xì)胞發(fā)育的調(diào)控[58]。在精子發(fā)生的各個(gè)不同階段,該分子通過與PIWI亞家族蛋白的3個(gè)成員偶聯(lián)發(fā)揮其調(diào)控作用。piRNA分子首次在小鼠睪丸組織被發(fā)現(xiàn),后續(xù)在人、大鼠、豬、馬等[59]哺乳動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)了piRNA的存在。Yang等[60]在正常人睪丸組織中鑒定到20 121個(gè)piRNA,其序列的來源基因包含TDRG1和CYP19A1。TDRG1屬于睪丸特異性表達(dá)基因,階段性的調(diào)控精子發(fā)生進(jìn)程[61];CYP19A1是將雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素的關(guān)鍵酶,也是性別分化相關(guān)miRNAs的一個(gè)重要潛在靶基因[62]。
相關(guān)研究分別對性成熟前后豬睪丸組織的差異piRNA進(jìn)行了鑒定,發(fā)現(xiàn)它們毗鄰的mRNA都參與精子發(fā)生、能量代謝、細(xì)胞生長調(diào)節(jié)、細(xì)胞黏附、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞-細(xì)胞連接等繁殖相關(guān)的生物學(xué)過程,證實(shí)了piRNA對睪丸發(fā)育及精子發(fā)生有調(diào)控作用[63-64]。此外道楞[65]對性成熟前后蒙古馬睪丸組織進(jìn)行NGS發(fā)現(xiàn),性成熟前睪丸組織比性成熟后睪丸組織piRNA的種類更加豐富,這一結(jié)論與小鼠[66]、人[60]、豬[19]等物種上的報(bào)道相似,暗示piRNA在哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育以及精子發(fā)生過程中扮演著重要角色。此外,道楞[65]獲得的差異表達(dá)piRNA來源基因包含PIWIL1和PIWIL2,其中PIWIL1和piRNA 在馬睪丸中的表達(dá)量隨著個(gè)體的發(fā)育而增加,在狗中也發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果[67]。PIWIL1基因是在人中最早發(fā)現(xiàn)在睪丸組織特異性表達(dá)的PIWI家族蛋白,已經(jīng)在人、恒河猴等物種中證實(shí),在精母細(xì)胞和成熟精子中高表達(dá),并階段性調(diào)控生精過程[68]。因此可推測,piRNA與PIWI同源蛋白PIWIL1相互作用共同調(diào)控精子的發(fā)生過程。PIWIL2參與維持生殖干細(xì)胞自我更新、甲基化介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子抑制、染色質(zhì)重組等生物過程,并在piRNA的前體起源及轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。顧垚[69]研究表明,PIWIL2基因在黃牛和牦牛睪丸組織中特異性表達(dá),并且該基因5′UTR區(qū)域的甲基化狀態(tài)與犏牛精子發(fā)生障礙、雄性不育密切相關(guān)。
由于piRNA在雄性生殖系統(tǒng)中起著多種重要的作用,被視為哺乳動(dòng)物生殖系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控因子之一,隨著研究的不斷深入,越來越多的證據(jù)顯示,piRNA以多種不同機(jī)制參與精子發(fā)生相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控,為人們深入理解哺乳動(dòng)物睪丸發(fā)育和精子發(fā)生的分子機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)很好的視角。
本文綜述了睪丸發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展,包括睪丸發(fā)育相關(guān)mRNA、miRNA、lncRNA、piRNA。轉(zhuǎn)錄組學(xué)在動(dòng)物睪丸發(fā)育以及精子發(fā)生中取得了很大的進(jìn)展,但目前的研究仍然存在一定的局限性。1)mRNA、miRNA、lncRNA、piRNA組學(xué)的研究比較獨(dú)立,沒有得到有效的整合分析,使得大量的測序數(shù)據(jù)沒有得到有效利用。2)目前,哺乳動(dòng)物Y染色體鑒定的基因很有限,主要是Y染色體大量的重復(fù)序列導(dǎo)致測序難度很大;3)研究主要集中在人以及小鼠、豬等模式動(dòng)物,而對于馴化家畜睪丸轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究很有限;4)利用NGS技術(shù)確實(shí)篩選到了許多差異基因、差異miRNA、差異lncRNA、差異piRNA,但是對這些候選分子的功能驗(yàn)證還很有限。需進(jìn)一步對候選分子進(jìn)行后功能基因組組學(xué)研究,篩選出睪丸發(fā)育相關(guān)候選分子,并在細(xì)胞水平或結(jié)合體內(nèi)、體外驗(yàn)證試驗(yàn),從而較全面的、精確地解析候選基因?qū)ΣG丸發(fā)育的調(diào)控過程。
睪丸的正常發(fā)育對哺乳動(dòng)物繁殖力的提高和優(yōu)良種公畜精液的充分利用具有十分重要的作用。睪丸發(fā)育過程極其復(fù)雜,受到遺傳因素和環(huán)境因素共同作用。特異性表達(dá)mRNA、miRNA、lncRNA、piRNA在睪丸組織發(fā)育和精子生成的各個(gè)階段均發(fā)揮重要作用,因此,對這些調(diào)控分子的研究意義重大。
睪丸發(fā)育研究作為生物繁殖學(xué)領(lǐng)域的重要課題。通過對睪丸發(fā)育轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究,探討特異性表達(dá)基因與睪丸發(fā)育的相關(guān)性,極大地提高了人們對睪丸發(fā)育、生精過程等重要生理過程的認(rèn)識(shí),可以更全面地了解睪丸發(fā)育過程中重要基因的表達(dá)模式、轉(zhuǎn)錄因子及RNA結(jié)合蛋白活化模式及激素調(diào)節(jié)方式,一方面,可以為探索人以及犏牛等哺乳動(dòng)物雄性不育、睪丸發(fā)育不完全綜合征等疾病的遺傳機(jī)制奠定理論基礎(chǔ),另一方面,對于牛、羊、豬等優(yōu)秀種公畜的早期選育提供一定的理論參考依據(jù)。