从线粒体的角度探索鱼类繁殖的奥秘

中国是一个妥妥的“吃鱼大国”，中国人的饭桌上，鱼是一道不可或缺的家常菜。最近听说很多人看完《狂飙》都想去市场卖鱼，如果你能掌握让鱼稳定又高产地繁殖下去的秘密，就不愁没有鱼卖了。

最近，中国科学院水生生物研究所孙永华团队与华中农业大学陈振夏团队合作的研究论文就从线粒体的角度，探索了鱼类繁殖的奥秘。

（图片来源：Veer图库）

水中小白鼠上阵！

中国人吃鱼，不靠向大自然无限制地索取，而是靠自力更生自己养。中国是世界上主要渔业国家中唯一一个养殖产量超过捕捞产量的，水产养殖业也成为关系国计民生的重要行业之一。

从古至今，中国人为获得供应量大且稳定的渔业资源，做出了各种各样的努力与尝试。早在3000多年前的商代，我们的祖先就开始尝试人工养鱼。中国第一代富商范蠡写下了全球首部养鱼著作《养鱼经》。到了现代，中国科学家们也为挖掘鱼类繁育奥秘，实现可持续水产养殖做出了许多贡献。

提到现代生物学中对于鱼类生殖发育的研究，就不得不好好感谢一种活跃在水族箱中的小型热带观赏鱼——斑马鱼。这种来自热带溪流中的小鱼儿因全身布满多条深蓝色条纹，酷似斑马而得名。

斑马鱼是研究鱼类及脊椎动物发育的重要动物模型，因此享有“水中小白鼠”之称，这种小鱼蕴含着鱼类维持与繁衍的奥秘。

国家斑马鱼资源中心的实验用斑马鱼（图片来源：国家斑马鱼资源中心）

鱼从哪里来？——生殖干祖细胞

以斑马鱼为模型的研究已经鉴定出了诸多的生殖质因子（在动物卵母细胞中存在由蛋白质和RNA组成的具有一定形态结构的特殊的细胞质，称为“生殖质”（Germ plasm），这些因子决定了原始生殖细胞的特化与生殖干细胞命运的维持。

等等，什么是原始生殖细胞，什么又是生殖干细胞呢？

在成年动物性腺中存在一群独特的细胞类型，叫作生殖干细胞（germline stem cells, GSCs)。精子和卵子各自的起始细胞分别叫作精原干细胞(spermatogonial stem cell, SSC)和卵原干细胞（oogonial stem cell, OSC），它们均来源于胚胎期的原始生殖细胞(primordial germ cell, PGC)。

原始生殖细胞是早期胚胎发育过程中最早建立的一群生殖干细胞，因此又被称为生殖祖细胞（Progenitor Cell）。胚胎期以及成体中具有干细胞特性的生殖细胞统称为生殖干祖细胞（Germline Stem and Progenitor Cell，GSPC）。

鱼类生殖细胞发育（图片来源：作者）

鱼怎么来？——生殖干祖细胞命运的维持与分化

作为生命个体内唯一向后代传递遗传信息的载体和传播者，生殖干祖细胞担负着生物界延续生命的重要使命。生殖干祖细胞的特化、迁移和命运维持过程受到多种基因和信号通路的综合调控。生殖干祖细胞的定向分化包括两种决定：

第一种是决定进行自我更新还是分化。进行自我更新的生殖干祖细胞，将会进入有丝分裂，不断产生新的干祖细胞；如果选择分化，生殖干祖细胞会进入减数分裂，分化为终极形态（就是像精子和卵子这样能够进行世代传递的生殖细胞）。

第二种决定是进入减数分裂的生殖干祖细胞是发育为卵子还是精子。

生殖干祖细胞的自我更新与分化必须达到动态平衡，才能源源不断地产生精子和卵子，从而让物种得以繁衍，生生不息。

生殖干祖细胞的自我更新（self-renewal）与分化(differentiation) 生殖干祖细胞自我更新增强，而分化减弱时导致生殖细胞瘤（SEMINOMA）；自我更新减少而分化增强将会导致精原干细胞的衰竭（SPERMATOGENESIS DEPLETION）（图片来源：Xie, et al., Biomolecules, 2020）

活跃的线粒体网络为干细胞命运决定提供“原力”

线粒体被称为细胞的“动力工厂”，通过有氧呼吸和氧化磷酸化产生ATP，为细胞活动提供能量。同时，线粒体是高度动态的细胞器，线粒体不断进行融合（fusion）和分裂（fission）的动态变化，称为线粒体动力学。

简单来说，细胞中的线粒体可以由一个分裂为多个，也可以由多个融合成为一个。线粒体融合和分裂的动态平衡是线粒体质量控制的重要途径之一，对于其自我更新和功能的发挥必不可少。

在生殖细胞的不同发育阶段，线粒体数量、大小和形态分布均不相同，线粒体动力学对于生殖功能的调控越来越受到关注。

线粒体分裂（上）与融合（下），图中绿色部分为线粒体，紫色部分为内质网（图片来源：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31308-4）

Pld6——鱼类生殖干祖细胞中线粒体动态的“稳定器”

线粒体为细胞发育提供的“原力”既需要源源不绝，又不能够泛滥无节，那么是什么控制着线粒体功能的呢？

来自中科院水生所的研究者们利用斑马鱼为模型进行研究，在鱼类生殖干祖细胞中发现了一个奇特的基因：Pld6，它能够控制线粒体融合和线粒体动态。

那么Pld6是如何发挥作用的呢？

简单说来，在鱼类生殖干祖细胞中，Pld6就像是一个“稳定器”，控制着细胞中高度动态的线粒体这一“能量泵”的有序输出，从而调控生殖干祖细胞自我更新和分化的平衡和稳定。

线粒体融合调控因子pld6特异表达于生殖细胞谱系 Ovary:卵巢；testis：精巢（图片来源：作者提供）

如果你还是觉得Pld6比较陌生，可以看看下面这张图：

Advanced Science第9卷第36期背封面：大禹治水图（图片来源：张茹博士、孙永华研究员设计，邦图创作）

正如研究者绘制的这幅极具中国特色的“大禹治水”图，它形象呈现了Pld6介导的线粒体融合和线粒体动态调控鱼类生殖细胞系发育稳态和物种生殖繁衍的科学故事。

生命的生生不息如同母亲河的湍流不息，而生殖细胞的更新和分化，如同“ 黄河之水天上来，奔流到海不复回”；生殖细胞“代代无穷已”却并不泛滥，就如同洪水沿着河道顺势奔流到海。

这幅图用大禹手持耒耜治理洪水来寓意线粒体融合因子Pld6治理和保障生殖干祖细胞的自我更新和分化的平衡，从而造就了母亲河的绵延万里，奔腾不息，孕育出无数的生命。

结语

鱼类的培育与我们的生活息息相关，也是渔业关注的重点问题。尽管鱼类种类繁多，但是能够实现大规模人工养殖的优良品种却十分匮乏。深入了解鱼类生殖调控机制，不仅能帮助促进已有鱼类的繁殖，也能有利于培育新的养殖品种。

相信不久的将来，越来越丰富、越来越优质、越来越平价的鱼会出现在中国人千家万户的餐桌上。

出品：科普中国

作者：张茹（中科院水生生物研究所）