青鳉性别决定中新基因的鉴定及相关调控网络研究

Sex dimorphism is one of the most pervasive features of organisms. The sex determination systems are considerably diverse, but the functions of related genes are likely conserved. Elucidating the regulatory mechanisms governing sex determination and sex differentiation is not only a scientific challenge, but also of great medical interest. To date, several critical genes have been identified, and properties of the regulatory mechanisms are emerging. However, current studies often focus on a few genes, which provide limited views of the global regulatory logic. We seek to study the sex determination process, using medaka as the model organism and using a systems biology strategy that includes high-throughput measurements and systematic perturbation experiments. Medaka has a clear genetic sex determination system. In addition, a special transgenic line carrying an early-expressed sex-linked pigment marker is available. These features enable us to track the transcriptomic changes of gonads in a sex-specific manner during the sex determination process. Thus, we can identify all related genes with their dynamic expression profiles, and systematically understand the molecular basis. Furthermore, using perturbation experiments, we can dissolve the regulatory logic among genes, and construct the gene regulatory network underlying this developmental process. The accomplishment of this project will provide us a global landscape of the molecular basis, improve our understanding of the regulatory mechanisms directing the sex determination in medaka, and be informative for medical research regarding human reproductive science.

性别是生物界最普遍的特征之一。生物界的性别决定系统虽然千差万别，但相关基因的功能往往是保守的。阐明性别决定和分化的调控机制是发育生物学研究中重要的科学问题，对于促进人口生殖健康也有着积极的借鉴意义。目前，性别决定的一些重要基因已被鉴定出来，分子调控机制得到初步揭示。但现有研究往往只局限于少数基因，对基因调控网络的全景图像难以形成整体认识。本项目以青鳉鱼为模式生物，利用系统生物学策略，包括高通量测量和系统干扰实验，研究控制性别决定的基因调控网络。青鳉的性别决定系统明确，又有性别连锁的色素基因，使我们能够分别追踪雌雄性腺在性别决定阶段的转录组变化，从而全面掌握性别决定的分子基础并鉴定出新的调控基因；再通过系统的干扰实验，解析基因之间的调控关系，构建出相应的基因调控网络。本项目的完成将使我们较系统地理解青鳉性别决定过程中的分子基础及调控机制，为人类生殖健康研究提供重要信息。

生殖细胞将遗传信息由上一代传至下一代，对生物的繁衍和演化至关重要。生殖细胞往往要经历多次命运决定事件，例如性别决定、干细胞分化等。在这个过程中，成百上千的基因通过复杂的相互作用构成基因调控网络，从而控制着生殖细胞的多次命运决定事件。阐明这些基因调控网络对于理解生殖细胞发育的调控机理有着重要意义，对促进人类生殖健康、畜牧业生产也会有积极的推进作用。青鳉是一种小型淡水鱼类，由很多独特的技术优势，非常适合生殖细胞发育研究。因此，本项目利用青鳉为模式动物，采取系统生物学思路，开展了生殖细胞发育的调控网络研究，取得了一系列成果。..本项目开展了四部分研究工作，包括：系统分析青鳉胚胎发育过程中的多组学图谱；多重转录组方法鉴定性别差异表达基因；对鉴别出来的候选基因进行遗传干扰以明确功能；单细胞多组学技术构建基因调控网络。最终，我们获得了一套高质量的青鳉胚胎发育多组学数据，建立起组学数据门户网站；基于这套数据和自行开发的多重转录组方法，鉴定出一批新的性别差异表达基因，采用多种方法进行了验证，并鉴定出若干对生殖细胞发育的必须基因；最后，我们将多组学思路扩展到单细胞水平，对卵巢生殖干细胞的分化开展了深入研究，鉴定出大量分化阶段特异表达的基因和特异开放的调控元件，构建了控制生殖细胞分化的调控网络。..本项目部分结果已经在基因组领域高水平期刊Genome Research上发表（本课题第一标注），该论文及配套的数据网站受到了同行的广泛关注。后续更多工作还在整理中。参与项目的研究生已经有一名获得多项荣誉，顺利博士毕业。..综上，本项目获得的青鳉胚胎发育多组学图谱对领域内是一个重要贡献，对利用青鳉开展多种组学分析奠定了坚实基础；鉴定出大量生殖细胞发育相关的调控基因及其互作网络，深化了对生殖细胞发育调控机理的理解，对人类出生缺陷筛查、生殖系统疾病机理、水产业性别控制等领域都有积极推动作用。