Các vai trò phân biệt và hợp tác của amh và dmrt1 trong tự làm mới và phân hóa các tế bào sinh dục nam của cá ngựa
Tóm tắt
Sự sinh tinh là một quá trình cơ bản trong sinh học sinh sản của nam giới và phụ thuộc vào sự cân bằng chính xác giữa tự làm mới và phân hóa của các tế bào sinh dục nam. Tuy nhiên, các yếu tố điều tiết để kiểm soát sự cân bằng này còn chưa được hiểu rõ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã khảo sát vai trò của amh và dmrt1 trong sự phát triển của tế bào sinh dục nam bằng cách tạo ra các đột biến của chúng thông qua công nghệ Crispr/Cas9 ở cá ngựa. Cá ngựa đột biến amh thể hiện tỷ lệ giới tính thiên lệch về nữ, và cả cá đực và cá cái đột biến amh đều phát triển các tuyến sinh dục quá phát do sự sinh sản không kiểm soát và sự phân hóa bị suy giảm của các tế bào sinh dục. Một số lượng lớn các tế bào giống tinh nguyên bào đang sinh sản được quan sát thấy trong các thùy tinh hoàn của cá đột biến amh, và chúng được chứng minh là tích cực với cả Vasa và PH3. Hơn nữa, số lượng trung bình của các tế bào tích cực với Sycp3 và Vasa trong các cá thể đột biến amh thấp hơn đáng kể so với các tinh hoàn hoang dã, cho thấy sự phân hóa của các tế bào sinh dục nam bị suy giảm nghiêm trọng. Ngược lại, tất cả các tinh hoàn bị đột biến dmrt1 đều cho thấy các khuyết tật phát triển tinh hoàn nghiêm trọng và mất dần tất cả các tế bào sinh dục Vasa tích cực do ức chế sự tự làm mới của chúng và gây ra quá trình tự chết tế bào. Thêm vào đó, một số gen đánh dấu tế bào sinh dục và tế bào Sertoli đã bị giảm biểu hiện đáng kể, trong khi một sự gia tăng rõ rệt của các tế bào Leydig tích cực với Insl3 được tiết lộ thông qua phân tích miễn dịch mô học trong các tinh hoàn bị đột biến dmrt1 bị rối loạn. Dữ liệu của chúng tôi gợi ý rằng amh có thể hoạt động như một người bảo vệ để kiểm soát sự cân bằng giữa sự sinh sản và phân hóa của các tế bào sinh dục nam, trong khi dmrt1 có thể cần thiết cho sự duy trì, tự làm mới và phân hóa của các tế bào sinh dục nam. Đáng chú ý, nghiên cứu này đã làm sáng tỏ các chức năng mới của gen amh trong cá.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Agbor, 2013, A Wt1-Dmrt1 transgene restores DMRT1 to sertoli cells of Dmrt1(−/−) testes: a novel model of DMRT1-deficient germ cells., Biol. Reprod., 88, 51, 10.1095/biolreprod.112.103135
Arukwe, 2008, Steroidogenic acute regulatory (StAR) protein and cholesterol side-chain cleavage (P450scc)-regulated steroidogenesis as an organ-specific molecular and cellular target for endocrine disrupting chemicals in fish., Cell Biol. Toxicol., 24, 527, 10.1007/s10565-008-9069-7
Assis, 2016, INSL3 stimulates spermatogonial differentiation in testis of adult zebrafish (Danio rerio)., Cell Tissue Res., 363, 579, 10.1007/s00441-015-2213-9
Baudiffier, 2012, A critical role of follicle-stimulating hormone (Fsh) in mediating the effect of clotrimazole on testicular steroidogenesis in adult zebrafish., Toxicology, 298, 30, 10.1016/j.tox.2012.04.012
Beer, 2013, Nanos3 maintains germline stem cells and expression of the conserved germline stem cell gene nanos2 in the zebrafish ovary., Dev. Biol., 374, 308, 10.1016/j.ydbio.2012.12.003
Bowles, 2006, Retinoid signaling determines germ cell fate in mice., Science, 312, 596, 10.1126/science.1125691
Brion, 2004, Impacts of 17beta-estradiol, including environmentally relevant concentrations, on reproduction after exposure during embryo-larval-, juvenile- and adult-life stages in zebrafish (Danio rerio)., Aquat. Toxicol., 68, 193, 10.1016/j.aquatox.2004.01.022
Buaas, 2004, Plzf is required in adult male germ cells for stem cell self-renewal., Nat. Genet., 36, 647, 10.1038/ng1366
Chen, 2016, nr0b1 (DAX1) mutation in zebrafish causes female-to-male sex reversal through abnormal gonadal proliferation and differentiation., Mol. Cell. Endocrinol., 433, 105, 10.1016/j.mce.2016.06.005
Chen, 2013, A progestin (17alpha,20beta-dihydroxy-4-pregnen-3-one) stimulates early stages of spermatogenesis in zebrafish., Gen. Comp. Endocrinol., 185, 1, 10.1016/j.ygcen.2013.01.005
de Waal, 2008, Functional characterization and expression analysis of the androgen receptor in zebrafish (Danio rerio) testis., Reproduction, 136, 225, 10.1530/REP-08-0055
Dimitriadis, 2015, The Sertoli cell as the orchestra conductor of spermatogenesis: spermatogenic cells dance to the tune of testosterone., Hormones (Athens), 14, 479
Dranow, 2013, Germ cells are required to maintain a stable sexual phenotype in adult zebrafish., Dev. Biol., 376, 43, 10.1016/j.ydbio.2013.01.016
Dranow, 2016, Bmp15 is an oocyte-produced signal required for maintenance of the adult female sexual phenotype in zebrafish., PLoS Genet., 12, e1006323, 10.1371/journal.pgen.1006323
Gautier, 2011, The proximal promoter region of the zebrafish gsdf gene is sufficient to mimic the spatio-temporal expression pattern of the endogenous gene in Sertoli and granulosa cells., Biol. Reprod., 85, 1240, 10.1095/biolreprod.111.091892
Good-Avila, 2009, Relaxin gene family in teleosts: phylogeny, syntenic mapping, selective constraint, and expression analysis., BMC Evol. Biol., 9, 293, 10.1186/1471-2148-9-293
Gui, 2012, Molecular basis and genetic improvement of economically important traits in aquaculture animals., Sci. Bull., 57, 1751, 10.1007/s11434-012-5213-0
Herpin, 2015, Plasticity of gene-regulatory networks controlling sex determination: of masters, slaves, usual suspects, newcomers, and usurpators., EMBO Rep., 16, 1260, 10.15252/embr.201540667
Hinfray, 2011, Characterization of testicular expression of P450 17alpha-hydroxylase, 17,20-lyase in zebrafish and its perturbation by the pharmaceutical fungicide clotrimazole., Gen. Comp. Endocrinol., 174, 309, 10.1016/j.ygcen.2011.09.008
Kim, 2007, Cell type-autonomous and non-autonomous requirements for Dmrt1 in postnatal testis differentiation., Dev. Biol., 307, 314, 10.1016/j.ydbio.2007.04.046
Kimmel, 1995, Stages of embryonic development of the zebrafish., Dev. Dyn., 203, 253, 10.1002/aja.1002030302
Kobayashi, 2011, β-Catenin is essential for Mullerian duct regression during male sexual differentiation., Development, 138, 1967, 10.1242/dev.056143
Leal, 2009, Histological and stereological evaluation of zebrafish (Danio rerio) spermatogenesis with an emphasis on spermatogonial generations., Biol. Reprod., 81, 177, 10.1095/biolreprod.109.076299
Li, 2017, Gene editing nuclease and its application in tilapia., Sci. Bull., 62, 165, 10.1016/j.scib.2017.01.003
Li, 2014, Expression characterization of testicular DMRT1 in both Sertoli cells and spermatogenic cells of polyploid gibel carp., Gene, 548, 119, 10.1016/j.gene.2014.07.031
Li, 2014, Evolutionary history of two divergent Dmrt1 genes reveals two rounds of polyploidy origins in gibel carp., Mol. Phylogenet. Evol., 78, 96, 10.1016/j.ympev.2014.05.005
Li, 2017, A novel male-specific SET domain-containing gene setdm identified from extra microchromosomes of gibel carp males., Sci. Bull., 62, 528, 10.1016/j.scib.2017.04.002
Liu, 2015, Complete depletion of primordial germ cells in an all-female fish leads to sex-biased gene expression alteration and sterile all-male occurrence., BMC Genomics, 16, 971, 10.1186/s12864-015-2130-z
Marshall, 1995, Follicle-stimulating hormone amplifies the population of differentiated spermatogonia in the hypophysectomized testosterone-replaced adult rhesus monkey (Macaca mulatta)., Endocrinology, 136, 3504, 10.1210/endo.136.8.7628387
Masuyama, 2012, Dmrt1 mutation causes a male-to-female sex reversal after the sex determination by Dmy in the medaka., Chromosome Res., 20, 163, 10.1007/s10577-011-9264-x
Matson, 2012, Sex and the singular DM domain: insights into sexual regulation, evolution and plasticity., Nat. Rev. Genet., 13, 163, 10.1038/nrg3161
Matsuda, 2002, DMY is a Y-specific DM-domain gene required for male development in the medaka fish., Nature, 417, 559, 10.1038/nature751
Mei, 2015, Genetic basis and biotechnological manipulation of sexual dimorphism and sex determination in fish., Sci. China Life Sci., 58, 124, 10.1007/s11427-014-4797-9
Mei, 2008, C1q-like inhibits p53-mediated apoptosis and controls normal hematopoiesis during zebrafish embryogenesis., Dev. Biol., 319, 273, 10.1016/j.ydbio.2008.04.022
Meng, 2000, Regulation of cell fate decision of undifferentiated spermatogonia by GDNF., Science, 287, 1489, 10.1126/science.287.5457.1489
Morinaga, 2007, The hotei mutation of medaka in the anti-Mullerian hormone receptor causes the dysregulation of germ cell and sexual development., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 9691, 10.1073/pnas.0611379104
Nakamura, 2006, Identification and lineage tracing of two populations of somatic gonadal precursors in medaka embryos., Dev. Biol., 295, 678, 10.1016/j.ydbio.2006.03.052
Nakamura, 2012, Hyperproliferation of mitotically active germ cells due to defective anti-Mullerian hormone signaling mediates sex reversal in medaka., Development, 139, 2283, 10.1242/dev.076307
Neumann, 2011, Mutation in the type IB bone morphogenetic protein receptor Alk6b impairs germ-cell differentiation and causes germ-cell tumors in zebrafish., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 13153, 10.1073/pnas.1102311108
Orban, 2009, Long and winding roads: testis differentiation in zebrafish., Mol. Cell. Endocrinol., 312, 35, 10.1016/j.mce.2009.04.014
Ozaki, 2011, Evaluation of Sycp3, Plzf and Cyclin B3 expression and suitability as spermatogonia and spermatocyte markers in zebrafish., Gene Expr. Patterns, 11, 309, 10.1016/j.gep.2011.03.002
Peng, 2009, Evolutionary conservation of Dazl genomic organization and its continuous and dynamic distribution throughout germline development in gynogenetic gibel carp., J. Exp. Zool. B Mol. Dev. Evol., 312, 855, 10.1002/jez.b.21301
Rocha, 2016, Conserved anti-Mullerian hormone: anti-Mullerian hormone type-2 receptor specific interaction and intracellular signaling in teleosts., Biol. Reprod., 94, 141, 10.1095/biolreprod.115.137547
Rodríguez-Marí, 2005, Characterization and expression pattern of zebrafish anti-Mullerian hormone (Amh) relative to sox9a, sox9b, and cyp19a1a, during gonad development., Gene Expr. Patterns, 5, 655, 10.1016/j.modgep.2005.02.008
Rodríguez-Marí, 2010, Sex reversal in zebrafish fancl mutants is caused by Tp53-mediated germ cell apoptosis., PLoS Genet., 6, e1001034, 10.1371/journal.pgen.1001034
Rodríguez-Marí, 2011, Roles of brca2 (fancd1) in oocyte nuclear architecture, gametogenesis, gonad tumors, and genome stability in zebrafish., PLoS Genet., 7, e1001357, 10.1371/journal.pgen.1001357
Rossitto, 2015, Molecular events and signalling pathways of male germ cell differentiation in mouse., Semin. Cell Dev. Biol., 45, 84, 10.1016/j.semcdb.2015.09.014
Saitou, 2009, Germ cell specification in mice., Curr. Opin. Genet. Dev., 19, 386, 10.1016/j.gde.2009.06.003
Skaar, 2011, Proteolytically activated, recombinant anti-Mullerian hormone inhibits androgen secretion, proliferation, and differentiation of spermatogonia in adult zebrafish testis organ cultures., Endocrinology, 152, 3527, 10.1210/en.2010-1469
Slanchev, 2005, Development without germ cells: the role of the germ line in zebrafish sex differentiation., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 4074, 10.1073/pnas.0407475102
Sun, 2013, Sox9-related signaling controls zebrafish juvenile ovary-testis transformation., Cell Death Dis., 4, e930, 10.1038/cddis.2013.456
Sun, 2014, Reprogramming Sertoli cells into pluripotent stem cells., Cell. Reprogram., 16, 196, 10.1089/cell.2013.0083
Sweeney, 2012, TUNEL-antibody double-labeling method for Drosophila embryos., Cold Spring Harb. Protoc., 2012, 1013, 10.1101/pdb.prot068379
Tsuda, 2003, Conserved role of nanos proteins in germ cell development., Science, 301, 1239, 10.1126/science.1085222
Wang, 2016, Establishment and applications of male germ cell and Sertoli cell lines., Reproduction, 152, R31, 10.1530/REP-15-0546
Wang, 2007, Anti-Mullerian hormone and 11 beta-hydroxylase show reciprocal expression to that of aromatase in the transforming gonad of zebrafish males., Dev. Dyn., 236, 1329, 10.1002/dvdy.21129
Wang, 2007, The timing and extent of ‘juvenile ovary’ phase are highly variable during zebrafish testis differentiation., J. Fish Biol., 70, 33, 10.1111/j.1095-8649.2007.01363.x
Wang, 2004, Differential expression of thyroid-stimulating hormone beta subunit in gonads during sex reversal of orange-spotted and red-spotted groupers., Mol. Cell. Endocrinol., 220, 77, 10.1016/j.mce.2004.03.007
Wang, 2013, Apolipoprotein C1 regulates epiboly during gastrulation in zebrafish., Sci. China Life Sci., 56, 975, 10.1007/s11427-013-4563-4
Webster, 2017, Dmrt1 is necessary for male sexual development in zebrafish., Dev. Biol., 422, 33, 10.1016/j.ydbio.2016.12.008
Weidinger, 2003, Dead end, a novel vertebrate germ plasm component, is required for zebrafish primordial germ cell migration and survival., Curr. Biol., 13, 1429, 10.1016/S0960-9822(03)00537-2
Westerfield, 2000, The Zebrafish Book: A Guide for the Laboratory Use of Zebrafish (Danio rerio)
Xia, 2007, Differential and spermatogenic cell-specific expression of DMRT1 during sex reversal in protogynous hermaphroditic groupers., Mol. Cell. Endocrinol., 263, 156, 10.1016/j.mce.2006.09.014
Xiong, 2017, Loss of stat3 function leads to spine malformation and immune disorder in zebrafish., Sci. Bull., 62, 185, 10.1016/j.scib.2017.01.008
Yang, 2017, Sequential, divergent, and cooperative requirements of foxl2a and foxl2b in ovary development and maintenance of zebrafish., Genetics, 205, 1551, 10.1534/genetics.116.199133
Yoon, 1997, Zebrafish vasa homologue RNA is localized to the cleavage planes of 2- and 4-cell-stage embryos and is expressed in the primordial germ cells., Development, 124, 3157, 10.1242/dev.124.16.3157
Zhang, 2015, Reprogramming of Sertoli cells to fetal-like Leydig cells by Wt1 ablation., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 4003, 10.1073/pnas.1422371112
Zhang, 2016, DMRT1 is required for mouse spermatogonial stem cell maintenance and replenishment., PLoS Genet., 12, e1006293, 10.1371/journal.pgen.1006293