2020-02-14 10:54:01
微小而奇怪的海洋动物在其一生中如何产生无限的卵子和精子

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一种最鲜为人知的居住在死蟹寄居蟹壳上的海洋生物对于研究人员来说似乎是一个不太可能的研究对象,但是这种动物却具有罕见的能力-它可以在其一生中制造卵子和精子。这种叫做“ Hydractinia”的动物之所以这样做,是因为它会产生生殖细胞,而生殖细胞是卵和精子的前体,在整个生命过程中都在不断地不断。研究这种独特的能力可以为人类生殖系统的发展以及人类生殖基础疾病的形成提供见识。

“通过测序和研究在实验室中更易于操作的简单生物的基因组,我们已经能够得出有关决定生殖细胞命运的生物学基础的重要见解,这些知识最终可能有助于我们更好地理解生殖疾病的潜在过程国家人类基因组研究所(NHGRI)计算基因组学部主任Andy Baxevanis博士,也是该论文的合著者。 NHGRI是美国国立卫生研究院的一部分。

在《科学》杂志上发表的一项研究中,NHGRI,爱尔兰国立大学戈尔韦分校的合作者以及佛罗里达大学奥古斯丁分校的惠特尼海洋生物科学实验室报告说,在Hydractinia中,成年干细胞中的Tfap2基因激活可以将这些细胞转化为生殖细胞,并可以不断重复。

相比之下,人类和大多数其他哺乳动物在一生中仅产生一次特定数量的生殖细胞。因此,对于这样的物种,可以在很长的一段时间内形成来自预定数目的生殖细胞的卵和精子,但是它们的数量受到限制。一个国际研究人员团队一直在研究Hydractinia的基因组,以了解这种特殊的繁殖能力是如何产生的。

Hydractinia生活在殖民地,与水母和珊瑚密切相关。尽管hydractinia在生理上与人类不同,但其基因组包含令人惊讶的大量类似于人类疾病基因的基因,这使其成为研究与人类生物学和健康有关的问题的有用动物模型。

Hydractinia菌落拥有喂养息肉和性息肉作为其解剖结构的一部分。专门的性息肉产生卵和精子,使其在功能上类似于人类等性腺中的性腺。

在人类胚胎发育过程中,将保留一小撮生殖细胞,这些生殖细胞最终将成为配子,而人类一生中产生的所有精子或卵子都是这些原始的少数生殖细胞的后代。由于人类没有能力补充其原始生殖细胞库,因此这些生殖细胞由于任何原因而流失都会导致不育。

在另一项研究中,NHGRI的Baxevanis博士和惠特尼实验室的Christine Schnitzler博士完成了Hydractinia基因组的首次测序。在这项研究中,研究人员利用这些信息仔细检查了生物体的基因组,以寻找线索,以了解为什么我们最远的动物亲戚之一与我们自己之间的生殖能力存在如此显着的差异。

Baxevanis博士说:“有了这种高质量的全基因组序列数据,我们可以迅速缩小对特定基因的搜索范围,这些基因可以告诉Hydractinia的干细胞变成生殖细胞。”

研究人员比较了基因在泌尿生殖器的喂养和性结构中的行为。他们发现,在男性和女性中,Tfap2基因在性息肉中的活性比在进食性息肉中的活性高得多。这表明该基因可能在产生生殖细胞中很重要。

接下来,科学家们证实Tfap2确实是控制永生生殖细胞生产过程的开关。研究人员使用CRISPR-Cas9基因编辑技术从hydractinia中除去Tfap2,并测量了其对生殖细胞产生的影响。他们发现从Hydractinia中去除Tfap2会阻止生殖细胞的形成,从而支持了Tfap2控制这一过程的理论。

研究人员还想知道Tfap2是否在影响特定细胞转化为生殖细胞。他们的分析表明,Tfap2仅导致水蚤的成年干细胞转变为生殖细胞。

有趣的是,Tfap2基因除了参与无数其他过程外,还调节人类生殖细胞的产生。然而,在人类中,生殖细胞在发育早期就与非生殖细胞分离开了。尽管如此,尽管Hydractinia和人类之间的进化距离很大,但它们都共享一个将干细胞转变为生殖细胞的关键基因。

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