青鳉母源性pax6b基因调控原生殖细胞迁移的分子机理研究

Understanding the developmental process of early embryo and germ cell is one of the essential questions in biological sciences, thus characterization of the key regulator and its potential mechanism plays the guiding significance. It is well-known that Pax6 gene is a key regulator in the developmental process of central nervous system and pancreas. In fish model Medaka, we have identified duplicated pax6 genes and found an acquirement of gonadal and maternal expression pax6b, which expanded the understanding of Pax6 gene at first time. To further answer the underlying mechanism, we will identify the regulatory elements controlling the novel expression pattern and clarify targeting genes and pathways involved by functional assay in embryos and germ stem cells. Taken together, this project will deepen the understanding of Pax6 after gene duplication in medaka, illustrate its status during the process of evolution, and also provide scientific basis for the reproduction and development in fish.

早期胚胎和生殖细胞的发育过程是生物学研究的基础问题之一，鉴定其中的主控基因和阐明调控机制有重要的意义。pax6是一个在中枢神经系统和胰腺表达的调控因子。我们从青鳉中发现了pax6基因发生复制，而且发现pax6b基因具有母源性和生殖腺的表达。为了进一步阐明它在早期胚胎和生殖细胞的作用机理，我们将在胚胎发育和生殖干细胞系中采取启动子报告分析、过表达、基因敲除等手段来分析该基因特异性的调控序列，鉴定它的靶位基因，阐明它参与早期发育过程的分子机理，分析它所涉及的信号通路。本项目能加深对pax6基因的认识，揭示其在基因进化过程中的地位，也为解开它在鱼类生殖及发育方面的作用提供科学依据。

早期胚胎和生殖细胞的发育过程是生物学研究的重要基础问题之一。pax6是一个在中枢神经系统和胰腺表达的重要调控因子，还没有在母源性和性腺的表达和功能研究。我们从模式鱼青鳉中发现了pax6基因发生复制而产生了pax6.1(pax6a)和pax6.2（pax6b），而且首次发现pax6.2基因具有母源性和生殖腺的表达。为了进一步阐明它在早期胚胎和生殖细胞的作用机理，本项目对于pax6.1和pax6.2 进行了敲除，并获得了两个基因的两个突变体和鉴定了它们不同的功能。结果显示，pax6.1主要在神经系统和胰腺中表达，敲除后纯合子眼部和脊柱出现畸形随后在小鱼阶段死亡，纯合子的脊柱骨结节较野生型明显缩短，进一步分析显示敲除Olpax6.1后与骨骼发育相关基因sp7、bglap以及col10a1a的表达显著下调，而且pax6可能结合sp7和col10a1a的启动子从而调控它们的表达。KEGG富集分析结果显示Olpax6.1突变与野生型的差异基因富集到了p53信号通路等通路上。因此，pax6.1 的突变体可以作为脊柱-视力综合症的疾病模型。而不同的是，pax6.2主要在性腺和早期表达，敲除后纯合子能正常生长繁殖，进一步的显微观察发现胚胎发育时期的原生殖细胞数量减少，但不影响生殖细胞的迁移。转录组发现，和生殖细胞相关的一些关键基因表达出现分歧，PGCs标记因子vasa、nanos3呈现显著上调，dazl 呈现显著下调。卵巢转录组的KEGG富集分析显示MAPK信号通路、GnRH信号通路以及孕激素介导的卵母细胞成熟等与卵巢和PGCs发育相关通路上的基因发生显著性变化。总而言之，本项目加深对pax6基因的认识，揭示其在基因进化过程中的地位，也为解开它在鱼类生殖及发育方面的作用提供科学依据。