维甲酸代谢调控高原鼠兔精原细胞分化的作用机制

Plateau pika (Ochotona curzoniae) plays a keystone role on ecosystem balance and biodiversity of the Qinghai-Tibetan plateau. Studies of molecular regulation in plateau pika’s reproduction have an important significance for uncovering the reproductive strategy of seasonal reproductive animals. Our previous work showed that plateau pikas released more melatonin when they were maintained under the short-day photoperiod, which had an adverse effect on the secretion of testosterone and retinoic acid in their testes, to block the spermatogonial differentiation. This arrest is the basic reason of seasonal reproduction in plateau pikas. Further transcriptomic analysis indicated that there were several crucial enzymes involved in retinoic acid synthesis and degradation, such as RDHs, RALDHs, CRABPs and CYP26s, which could participate in this rhythmic control progression. To test this hypothesis, we will perform our study as follows: (1) determining whether and how retinoic acid metabolic enzymes control spermatogonial differentiation in plateau pikas; (2) elucidating molecular mechanisms regulating retinoic acid metabolism in testis of plateau pikas. Successful completion of the proposed research will offer important reference for the population management and reproductive strategies of plateau pikas, help to understand reproductive mechanisms of seasonal breeding mammals and provide theory and technology support for external regulation strategies of male germ cell development.

高原鼠兔是维持青藏高原特殊生态系统的关键种。作为典型的长日照动物，高原鼠兔的繁殖调控机理研究对于揭示季节性繁殖动物的繁殖策略具有重要意义。申请人的前期工作发现，雄性高原鼠兔在短日照条件下褪黑素分泌增多，导致睾丸内睾酮和维甲酸水平的下降，引起精原细胞分化阻滞，从而进入非繁殖期。进一步的转录组学分析表明，参与维甲酸合成与降解代谢的一些关键酶类（RDHs、RALDHs、CRABPs和CYP26s等）可能涉及这一高原鼠兔精原细胞分化的节律性调控过程。为了验证这一假设，本项目拟进行如下研究：（1）维甲酸代谢酶调控高原鼠兔精原细胞分化的途径；（2）高原鼠兔睾丸内维甲酸代谢酶的上游分子调控机制。本项目的完成不仅能为高原鼠兔的种群调控和繁殖策略研究提供重要参考，还能进一步加深我们对季节性繁殖动物繁殖机理的认识，并为实现哺乳动物雄性生殖细胞发育的外界调控提供理论和技术支持。

高原鼠兔是青藏高原关键物种，属于典型季节性繁殖动物。高原鼠兔在长日照季节繁殖，以便幼崽健康成长。研究高原鼠兔繁殖生理对理解种群动态和适应进化有重要意义。然而，目前仍不清楚HPG轴调控与季节性精子发生间的关联。.本研究发现，高原鼠兔季节性繁殖的调控节点为精原细胞分化，且精原细胞分化是由光周期触发褪黑素变化经由HPG轴传导至睾丸实现的。转录组学分析发现，睾酮相关的类固醇激素合成和维甲酸代谢相关基因具有关键功能。进一步研究发现，睾酮处理能够促进非繁殖期鼠兔精子发生的恢复，精原细胞增殖与分化水平显著提升；而使用维甲酸或CYP26B1抑制剂也可以得到类似结果。另一方面，抑制非繁殖期睾酮功能会造成曲细精管结构的破坏和生殖细胞的凋亡。综合对比转录组学数据，我们发现睾酮可能通过表观遗传调控作用于雄激素受体，通过一系列基因变化启动精原细胞分化过程。除此之外，睾酮还明显控制RNA甲基化酶WTAP的表达。我们制备了Wtap条件性敲除小鼠，发现Wtap的缺失会导致小鼠精子数量下降且完全不育，进一步追踪我们确认了缺陷主要集中在精子发生早期阶段，对精原细胞的维持与分化过程均有影响。结合RNA甲基化组数据，我们证实Wtap可以通过控制支持细胞中特定基因的RNA甲基化来实现对精原细胞维持与分化的调节，从而调控精子发生。.综上所述，本研究厘清了高原鼠兔季节性繁殖的生理学基础与内分泌变化规律，结合药物处理实验证实了睾酮控制下游维甲酸代谢通路对高原鼠兔精原细胞分化的关键调节作用；利用Wtap支持细胞条件性敲除模型，阐明了RNA甲基化修饰在小鼠精原干细胞微环境维持中的重要功能。本研究不仅能为高原鼠兔的种群调控和繁殖策略研究提供重要参考，还能进一步加深我们对季节性繁殖动物分子机理的认识，扩展了我们关于精子发生表观遗传调控的认识，为实现哺乳动物雄性生殖细胞发育的微环境调控提供理论和技术支持。