動物模型在研究人類疾病（如不孕不育）中至關重要。近期研究顯示，齧齒動物模型（如小鼠）與人類在睾丸細胞組成、分子特征和發育軌跡等方麵存在顯著差異【1】，這凸顯了尋找替代動物模型的必要性，以更準確地模擬人類睾丸發育。豬（Sus scrofa）在多個解剖特征上與人類相似，如心髒占體重的比例、腦白質組成、腸道長度和表皮厚度等，因此，豬作為轉化醫學模型在器官移植、人類疾病模型構建、藥物毒理學領域的應用日益廣泛【2】。此外，豬是全球第二大肉類來源，中國的生豬出欄量和消費量均位居世界首位，生豬養殖在中國畜牧業中占據重要地位。生豬產業的健康、高效發展離不開優良品種的培育和覆蓋，其中公豬的作用影響巨大。因此，係統解析豬的睾丸發育和精子發生，作為替代模型研究人類睾丸發育及相關疾病，對於發育生物學及醫學領域具有重要意義；同時也將促進我國本土豬種的優良品種選育，具有顯著的經濟和社會價值。

近日，必威精装版app西汉姆联 趙建國研究員、郭靖濤研究員和韓春生研究員團隊合作在Communications Biology雜誌上發表了題為Single-Cell Transcriptomic and Cross-Species Comparison Analyses Reveal Distinct Molecular Changes of Porcine Testes during Puberty的研究論文。本研究采用分子生物學和細胞生物學的方法，全麵分析了巴馬豬在胎兒期、新生兒期、青春期和成年期的睾丸發育，並進行了跨物種比較。這一研究推進了對豬睾丸發育複雜機製的理解，強調了其作為再生醫學模型的潛力。

為深入了解豬精子發生的分子特征，研究團隊比較了巴馬豬、人類和小鼠在睾丸生殖細胞發育過程中的組成變化情況。研究人員意外地發現，巴馬豬在出生後第9天（PD9）時已經出現細線期和粗線期精母細胞，明顯早於小鼠，這表明其減數分裂啟動時間更早。組織學驗證顯示，PD15的巴馬豬睾丸內已可觀察到明顯的精母細胞。這一發現揭示了巴馬豬在早期階段即已啟動精子發生過程，這可能與哺乳動物的第一波精子發生（first-wave spermatogenesis）現象類似，為巴馬豬的性成熟時間以及繁育提供了重要啟示和參考。

精原細胞通過自我更新和分化的平衡維持終生的精子發生。考慮到先前研究中人類與齧齒類模式動物的顯著差異，研究團隊將重點放在巴馬豬的精原細胞上。通過無監督聚類，在未分化的巴馬豬精原細胞和分化精原細胞中識別出四個不同的亞簇：SPG1至SPG4。偽時間分析進一步定義了從SPG1到SPG4的發展軌跡，其中SPG1代表最原始的精原細胞發育狀態，SPG4則位於這一軌跡的末端。值得注意的是，以PIWIL4、EGR4和FGFR3的高表達為特征的巴馬豬SPG1亞群，在轉錄水平非常類似於人類的State 0精原幹細胞【3】，這些細胞在男性一生中保持未分化和靜止的狀態，表明它們可能是最原始的生殖幹細胞。這是在除靈長類動物之外的物種中首次識別出此類細胞（圖1）。

為深入了解間質細胞譜係的特異性，本研究對胎齡72天（E72）的巴馬豬睾丸細胞進行了分析，並重新分析了已發表的E24、E27、E30和E35的雄性性腺單細胞轉錄組數據【4】。該綜合數據集使研究人員能夠探索間質細胞譜係的起源、動態和特化過程。研究人員識別出一個處於活躍增殖狀態的間質亞群（Proliferating progenitors），以NR2F2、TOP2A和MKI67的高表達為特征。免疫熒光染色證實，巴馬豬成體睾丸內存在潛在的間質祖細胞，表現出MKI67和ACTA2的共表達。這些發現表明，盡管傳統觀點認為睾丸體細胞處於有絲分裂停滯狀態，但本研究在巴馬豬中識別出了稀有的增殖間質細胞亞群，並且具有分化為間質或肌樣細胞的潛力（圖2）。此外，發現雄性巴馬豬的Leydig細胞能夠合成雌激素，其合成酶CYP19A1表達水平在成年期與睾酮合成酶CYP17A1相當，這與人類和小鼠的情況截然不同。

最後，研究人員發現膠質細胞源性神經生長因子（GDNF）信號在不同物種中維持精原幹細胞的作用體現出了明顯的保守性和多樣性。小鼠的單細胞RNA測序數據顯示，GDNF配體Gdnf主要在支持細胞和肌樣/間質細胞中表達，而受體Gfra1在精原細胞中高表達。在人類中，GFRA1同樣標記未分化的生精母細胞，但GFRA2的配體NRTN則在支持細胞中被檢測到。與此不同，人類睾丸體細胞在轉錄水平幾乎不表達GDNF。基於此，研究人員重新審視了巴馬豬中GDNF信號的調控邏輯，推測支持細胞表達的NRTN作為旁分泌因子，可能在控製豬精原細胞的自我更新和分化方麵起著核心作用。

總而言之，本研究為豬睾丸發育和精子發生提供了寶貴的見解，為未來在生殖生物學、動物育種的進展以及在轉化醫學中的潛在應用奠定了基礎。

本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、科技創新2030等項目的資助。必威精装版app西汉姆联 趙建國研究員、郭靖濤研究員、韓春生研究員為共同通訊作者；必威精装版app西汉姆联 博士後王曉琰、王楊和必威精装版app西汉姆联 博士研究生王煜、郭一菲為本文共同第一作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s42003-024-07163-9

參考文獻：

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4. Chen M,Long X,Chen M,Hao F,Kang J,Wang N,Wang Y,Wang M,Gao Y,Zhou M,Duo L,Zhe X,He J,Ren B,Zhang Y,Liu B,Li J,Zhang Q,Yan L,Cui X,Wang Y,Gui Y,Wang H,Zhu L,Liu D,Guo F,Gao F. Integration of single-cell transcriptome and chromatin accessibility of early gonads development among goats,pigs,macaques,and humans. Cell Rep. 2022 Nov 1;41(5):111587.

圖1 巴馬豬精子發生啟動早，並且精原幹細胞存在異質性

圖2 在巴馬豬睾丸內發現一類持續存在的增殖間質祖細胞