一種鮮為人知的海洋生物通常生長在死的寄居蟹的蟹殼上，這聽起來似乎不太可能成為科學(xué)家們的研究對象，但這種動(dòng)物有一種罕見的能力，它可以在一生中制造卵子和精子。這種稱為貝螅（Hydractinia）的動(dòng)物之所以能夠做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樗鼤a(chǎn)生生殖細(xì)胞---卵子和精子的前體細(xì)胞，而且在整個(gè)生命過程中都不會停止。研究這種獨(dú)特的能力可能為人類生殖系統(tǒng)發(fā)育和人類生殖相關(guān)疾病的形成提供新的見解。

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國國家人類基因組研究所、佛羅里達(dá)大學(xué)和愛爾蘭國立高威大學(xué)的研究人員報(bào)道貝螅成體干細(xì)胞中的Tfap2基因激活可以將這些干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為生殖細(xì)胞，并且這一個(gè)過程可以不斷重復(fù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年2月14日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Transcription factor AP2 controls cnidarian germ cell induction”。

Piwi1陽性精原細(xì)胞用黃色顯示，細(xì)胞核用藍(lán)綠色顯示。在這些克隆貝螅中可以觀察到生殖細(xì)胞的誘導(dǎo)和配子發(fā)生的各個(gè)階段。圖片來自Timothy DuBuc, Ph.D.Swarthmore College。

論文共同作者、美國國家人類基因組研究所計(jì)算基因組學(xué)部主任Andy Baxevanis博士說，“通過測序和研究在實(shí)驗(yàn)室中更易于操作的簡單生物的基因組，我們能夠梳理出有關(guān)決定生殖細(xì)胞命運(yùn)的生物學(xué)基礎(chǔ)的重要見解，這些知識最終可能有助于我們更好地理解人類生殖障礙的潛在過程?！?

相比之下，人類和大多數(shù)其他哺乳動(dòng)物在一生當(dāng)中僅一次產(chǎn)生特定數(shù)量的生殖細(xì)胞。因此，對于這樣的物種，卵子和精子可以在很長的一段時(shí)間內(nèi)由預(yù)定數(shù)量的生殖細(xì)胞產(chǎn)生，但是它們的數(shù)量受到限制。一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)一直在研究貝螅基因組，以了解這種特殊的繁殖能力是如何產(chǎn)生的。

貝螅是群居動(dòng)物，與水母和珊瑚關(guān)系密切。盡管貝螅在生理上與人類不同，但是它的基因組含有數(shù)量驚人的與人類疾病基因相似的基因，這使得它成為研究與人類生物學(xué)和健康有關(guān)的問題的有用動(dòng)物模型。

貝螅群體擁有攝食水螅體（feeding polyps）和性水螅體（sexual polyps）作為它們的解剖結(jié)構(gòu)的一部分。這些特殊的性水螅體產(chǎn)生卵子和精子，這使得它們在功能上類似于人類等物種中的性腺。

在人類胚胎發(fā)育過程中，一小部分最終會變成配子的生殖細(xì)胞保留下來，人類一生中產(chǎn)生的所有精子或卵子都是這些原始的少量生殖細(xì)胞的后代。鑒于人類沒有能力補(bǔ)充其原始生殖細(xì)胞庫，因此這些生殖細(xì)胞由于任何原因而丟失都會導(dǎo)致不孕不育。

在之前的一項(xiàng)研究中，Baxevanis博士和佛羅里達(dá)大學(xué)惠特尼海洋生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Christine Schnitzler博士完成了對貝螅基因組的首次測序。在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員利用這些信息仔細(xì)檢查這種生物體的基因組，以尋找為什么我們與親緣關(guān)系最為遙遠(yuǎn)的動(dòng)物之一之間的生殖能力存在如此顯著差異的線索。

Baxevanis博士說，“有了這種高質(zhì)量的全基因組序列數(shù)據(jù)，我們可以迅速縮小對特定基因的搜索范圍，這些基因可以使得貝螅的干細(xì)胞變成生殖細(xì)胞。”

這些研究人員比較了基因在貝螅的攝食水螅體和性水螅體中的行為。他們發(fā)現(xiàn)，在雄性和雌性貝螅中，Tfap2基因在性水螅體中的活性比在攝食水螅體中的活性高得多。這表明這個(gè)基因可能在產(chǎn)生生殖細(xì)胞中起著重要的作用。

接著，這些研究人員證實(shí)Tfap2確實(shí)是控制生殖細(xì)胞永久產(chǎn)生過程的開關(guān)。他們使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)移除貝螅中的Tfap2，并測量了對生殖細(xì)胞產(chǎn)生的影響。他們發(fā)現(xiàn)移除貝螅中的Tfap2會阻止生殖細(xì)胞形成，從而支持了Tfap2控制這一過程的觀點(diǎn)。

這些研究人員還想知道Tfap2是否在影響特定細(xì)胞轉(zhuǎn)化為生殖細(xì)胞。他們的分析表明，Tfap2僅導(dǎo)致貝螅中的成體干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樯臣?xì)胞。

有趣的是，Tfap2基因除了參與無數(shù)其他過程外，還調(diào)節(jié)人類生殖細(xì)胞的產(chǎn)生。然而，在人類中，生殖細(xì)胞在發(fā)育早期就與非生殖細(xì)胞分離開了。然而，盡管貝螅和人類之間的進(jìn)化距離很大，但它們都共享一個(gè)將干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樯臣?xì)胞的關(guān)鍵基因。