检索历史 清除

摘要在哺乳动物的进化历程中，睾丸的位置发生了多样的变化。例如，鸭嘴兽、非洲象、鲸类、犰狳和海豹等动物的睾丸保留在体内，而人类等大多数哺乳动物的睾丸下降至阴囊中，以提供较低温度的环境，有助于精子发生。研究表明，人类在生长发育过程中若睾丸未下降至阴囊内，则患隐睾症。隐睾症会导致多种并发症，如精子发生异常、睾丸癌等。然而，鲸类等天然“隐睾”的哺乳动物健康生殖(精子发生正常)的分子机制仍处于探索阶段。精子发生是指精原细胞经过减数分裂产生精细胞，再变形产生成熟精子的过程，对哺乳动物的繁衍生息和遗传变异起着十分重要的作用。本研究通过生物信息学分析和实验验证，以鲸类和“隐睾”哺乳动物为研究对象，选取44个和精子发生各时期相关的基因，初步揭示了“隐睾”哺乳动物健康生殖的分子机制，本研究探讨了以下问题:1)“隐睾”的鲸类能产生有活力的精子，精子发生相关基因是否受选择压力驱动，其进化模式如何，2)精子发生相关基因在不同“隐睾”物种中是否存在趋同的分子进化机制。<br>　　首先，通过枝模型(branch model)和枝位点模型(branch site model)检测44个精子发生相关基因在26个代表性鲸偶蹄目物种中的选择压力情况，结果在鲸类中检测到15个加速进化基因、4个正选择基因，提示这些基因在鲸类中发生了适应性进化。在以上发生适应性进化的基因中，鲸类存在21个特异位点突变，其中19个位点的氨基酸所带电荷或极性发生变化，这可能导致蛋白结构发生变化进而影响其功能，从而有助于鲸类“隐睾”后的精子发生。在鲸类的加速进化基因中，TSSK6的ω值约是偶蹄类的39倍，TSSK6是睾丸特异的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，表达于成熟精子，在染色质重塑过程中起着重要作用。相较于偶蹄类，鲸类TSSK6有三个特异位点突变且位于其激酶结构域或附近，对牛、瓶鼻海豚及突变组TSSK6的蛋白热稳定性进行实验验证，结果发现瓶鼻海豚的TSSK6热稳定性高于牛，且将牛的265位点突变为鲸类特异位点后，其热稳定性显著升高，提示鲸类TSSK6对其健康“隐睾”的重要作用。<br>　　其次，将研究对象范围扩大至整个哺乳动物，选取42个代表性哺乳动物，通过枝模型(branch model)和枝位点模型(branch site model)检测44个精子发生相关基因在哺乳动物中的选择压力情况，发现CEP128、PIWIL1、RFX2、RSPH6A在“隐睾”物种中仍存在加速进化，MEIG1、FKBP6仍在“隐睾”物种中受到正选择，CEP128、L3MBTL2、RBM46既在“隐睾”物种中加速进化又受到正选择，对CEP128、L3MBTL2、RBM46进行趋同位点分析发现在“隐睾”物种中各有一个趋同特异氨基酸位点，且RBM46(A286T)位点突变后可能造成雄性不育，提示以上基因在“隐睾”物种精子发生中的重要作用。<br>　　最后对44个基因的进化速率和睾丸位置（“隐睾”和非“隐睾”）的相关性进行分析，发现PIWIL2和睾丸位置显著相关，表明它可能参与睾丸位置的演化。由于PIWIL1在“隐睾”物种中加速进化，PIWIL2和睾丸位置具有相关性，研究表明PIWIL1、PIWIL2、PIWIL4和雄性生殖相关，提示该家族可能在“隐睾”物种精子发生中具有重要作用。分析三者系统发育关系发现PIWIL1和PIWIL4进化关系更近。接着分别对其上游启动子的保守motif进行分析，发现鲸类PIWIL1、PIWIL4上游启动子中保守motif数量明显多于其近缘物种，提示鲸类“隐睾”后，PIWIL1、PIWIL4的上游启动子对二者的表达调控不同于其近缘物种，这可能在鲸类健康生殖中发挥一定的作用。<br>　　综上，本研究通过生物信息学分析和实验验证，筛选出了一些可能在“隐睾”物种精子发生中起重要作用的基因，其中鲸类TSSK6蛋白热稳定性及编码PIWI家族蛋白基因的上游启动子发生的适应性进化可能对其健康“隐睾”至关重要。本研究初步揭示了“隐睾”物种健康生殖的分子机制，并为隐睾症患者的精子发生提供了潜在的治疗策略。