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研究揭示视黄酸对海马育儿袋发育与怀孕过程的调控机制

来源:南海海洋所 2020-10-16 12:44

 

近日,中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员林强团队与香港科技大学教授钱培元团队合作,以线纹海马(Hippocampus erectus)为研究对象,揭示视黄酸(Retinoic acid)在雄海马育儿袋形成和怀孕过程中的关键分子与生理调控机制(图1)。相关研究成果在线发表在The Innovation上。

在动物界,繁殖过程是物种基因延续和亲本重要的投资策略,在演化过程中,动物的繁殖行为进化出多种模式。其中,海龙科鱼类是动物界产生“雄性繁殖”行为的类群,是一个独立进化分枝。对于整个海龙科物种而言,其怀孕过程伴随行为、组织和基因水平的特异性变化,甚至在雌、雄个体间产生明显的性别二态性,这是物种长期的适应性进化结果。海马属是海龙科物种中进化速率较快的物种(Nature,2016),它们衍生出较为完整的育儿袋结构,并在怀孕过程中出现独特的胎盘结构。近期的研究证明,海马等物种的雄性怀孕过程与哺乳动物的母体胎生繁殖方式存在显着的趋同进化模式(National Science Review,2020)。

相较于其他海龙科物种,海马基于其特异的体型模态和繁殖策略,被认为是研究动物复杂性状演化的物种。海马的育儿袋与哺乳动物的子宫在关键基因结构上具有显同源性(PNAS,2020)。基于此,如果实现对海马育儿袋结构与功能的解析,并与哺乳动物(甚至人类)的子宫和胎盘等结构与功能发生进行比较分析,为揭示动物界繁殖器官和功能的独立演化模式研究提供理论支撑。在海马的繁殖过程中,育儿袋的结构发生与功能特化是海马得以实现其繁殖策略的“基石”,然而,关于海马育儿袋发生、发育和怀孕过程的分子和生理调控机制未见报道。

研究人员利用代谢组学方法甄选与海马育儿袋形成和怀孕显着相关的194个差异代谢产物,包括斑蝥黄(canthaxanthin)、虾青素(astaxanthin)等,同时在转录层面分析和鉴定2674个差异表达基因。基于转录组与代谢组学联合分析,研究发现视黄酸在育儿袋发生发育过程中起到重要的调控作用。视黄酸可通过调控fshr和cyp7a1等重要基因的表达,影响睾酮(testosterone)、孕酮(progesterone)等激素代谢来影响育儿袋的形成;视黄酸还通过调控col4a1、shh、cybb等基因表达影响育儿袋的组织重塑、器官发育和免疫过程。该研究对海龙科育儿袋发育驱动机制研究有重要意义,也为后续相关研究提供切入点。

该研究发现视黄酸可能调控海马怀孕过程的抗氧化防御功能。抗氧化物因其与转运蛋白、转录因子、视黄酸代谢等基因的显着正相关关系,在海马怀孕过程中发挥调控作用,而怀孕过程视黄酸与斑蝥黄、虾青素等抗氧化物质的同步下调,可能增加怀孕期间对氧化压力的耐受,通过增加父本免疫耐受的方式降低父本对胚胎的排斥作用,从而保障海马妊娠过程的完成(图2、3)。

该研究提出并阐明视黄酸在海马育儿袋形成与怀孕过程中的角色和功能,为鱼类胎生繁殖模式研究提供新视角,对于探索动物繁殖模式的进化与遗传机制等具有科学价值。论文通讯作者为林强与钱培元,论文第一作者为助理研究员李春燕。研究工作受到国家杰出青年科学基金项目、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)重大专项团队项目和中科院卢嘉锡国际创新团队项目等的资助。(生物谷Bioon.com)

 

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