孙永华团队利用斑马鱼“借腹生殖”获得跨亚科鱼类来源的基因编辑配子

精原干细胞（Spermatogonial stem cells，SSCs）是成体雄性性腺中具有自我更新和分化潜能的一类生殖干细胞。利用精原干细胞移植（Spermatogonial stem cell transplantation, SSCT）技术，有可能实现跨个体甚至是跨物种的“借腹生殖”，也就是利用个体（或物种）B产生个体（或物种）A的功能性配子。SSCT“借腹生殖”是研究配子发生和性腺发育的一项重要技术，同时其在快速、高效的定向育种中也具有广阔的应用前景。SSCT“借腹生殖”能否在遗传距离较大（如跨亚科及以上遗传距离）的不同物种间实现，是这一领域的经典难题。

近日，中国科学院水生生物研究所孙永华课题组在Science China Life Sciences发表了题为”Surrogate production of genome edited sperm from a different subfamily by spermatogonial stem cell transplantation“的研究论文，利用鱼类SSCT首次实现了亚科物种间的“借腹生殖”，并成功获得了跨亚科物种来源的经基因编辑的SSCT精子。

在前期的研究中，孙永华课题组在斑马鱼中建立并优化了鱼类基因编辑配子的“借腹生殖”技术（J Genet Genomics，2020），快速而高效地获得了纯合突变致死基因的母源合子突变体，从而为斑马鱼母源基因的功能研究开辟了一条新的途径。为进一步探究在鱼类异种间能否建立基因编辑配子的“借腹生殖”技术，该团队选择了跨亚科的两个鱼类物种——稀有鮈鲫和斑马鱼——作为SSCT供体和受体，将生殖细胞靶向的CRISPR/Cas9基因编辑和SSCT“借腹生殖”技术进行有机整合和优化，成功利用受体斑马鱼快速、高效地获得了供体稀有鮈鲫来源的经基因编辑的精子（图1）。

图1 该研究技术路线图及稀有鮈鲫SSCs的分离及向斑马鱼幼鱼的移植

 为追溯供体稀有鮈鲫SSCs在受体斑马鱼中的发育命运，研究者精细刻画了移植SSCs在斑马鱼性腺中定植、增殖、分化的全过程，并最终通过组学和实验生物学手段证实了SSCT精巢是由供体稀有鮈鲫生殖细胞和受体斑马鱼性腺体细胞所构成的嵌合性腺（图2）。有趣的是，“借腹生殖”斑马鱼所产生的SSCT精子，虽然其核基因组完全来源于供体稀有鮈鲫且只能与稀有鮈鲫卵进行受精，但其形态学特征和游动行为更接近于受体斑马鱼精子。通过比较SSCT精子和普通稀有鮈鲫精子的转录组，研究者发现斑马鱼性腺体细胞的一些转录产物可能通过某种方式被转运到了SSCT精子细胞中，从而影响了“借腹生殖”所产生的稀有鮈鲫精子的形态和行为特征。该研究也是首次利用“借腹生殖”技术产生异种来源的基因编辑配子，这为利用该技术定制未来养殖鱼类的配子奠定了坚实的理论和实验基础。

图2 SSCT精巢是由稀有鮈鲫（Gr）的生殖细胞和斑马鱼（Dr）的体细胞构成

中国科学院水生生物研究所张峰华为该文章的第一作者，孙永华研究员为通讯作者。这项研究受到国家杰出青年科学基金、“发育编程及其代谢调节”国家重点研发计划、国家自然科学基金创新研究群体等科研项目的支持。据悉，该研究涉及的斑马鱼和稀有鮈鲫品系来源于国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。

参考文献：

1. Zhang, F., Li, X., He, M., Ye, D., Xiong, F., Amin, G., Zhu, Z., Sun, Y. (2020). Efficient generation of zebrafish maternal-zygotic mutants through transplantation of ectopically induced and cas9/gRNA targeted primordial germ cells. Journal of Genetics and Genomics 47: 37-47