一种鲜为人知的海洋生物通常生长在死的寄居蟹的蟹壳上，这听起来似乎不太可能成为科学家们的研究对象，但这种动物有一种罕见的能力，它可以在一生中制造卵子和精子。这种称为贝螅（Hydractinia）的动物之所以能够做到这一点，是因为它会产生生殖细胞---卵子和精子的前体细胞，而且在整个生命过程中都不会停止。研究这种独特的能力可能为人类生殖系统发育和人类生殖相关疾病的形成提供新的见解。
 
在一项新的研究中，来自美国国家人类基因组研究所、佛罗里达大学和爱尔兰国立高威大学的研究人员报道贝螅成体干细胞中的Tfap2基因激活可以将这些干细胞转化为生殖细胞，并且这一个过程可以不断重复。相关研究结果发表在2020年2月14日的Science期刊上，论文标题为“Transcription factor AP2 controls cnidarian germ cell induction”。

 Piwi1阳性精原细胞用黄色显示，细胞核用蓝绿色显示。在这些克隆贝螅中可以观察到生殖细胞的诱导和配子发生的各个阶段。图片来自Timothy DuBuc, Ph.D.Swarthmore College。
 
论文共同作者、美国国家人类基因组研究所计算基因组学部主任Andy Baxevanis博士说，“通过测序和研究在实验室中更易于操作的简单生物的基因组，我们能够梳理出有关决定生殖细胞命运的生物学基础的重要见解，这些知识最终可能有助于我们更好地理解人类生殖障碍的潜在过程。”
 
相比之下，人类和大多数其他哺乳动物在一生当中仅一次产生特定数量的生殖细胞。因此，对于这样的物种，卵子和精子可以在很长的一段时间内由预定数量的生殖细胞产生，但是它们的数量受到限制。一个国际研究团队一直在研究贝螅基因组，以了解这种特殊的繁殖能力是如何产生的。
 
贝螅是群居动物，与水母和珊瑚关系密切。尽管贝螅在生理上与人类不同，但是它的基因组含有数量惊人的与人类疾病基因相似的基因，这使得它成为研究与人类生物学和健康有关的问题的有用动物模型。
 
贝螅群体拥有摄食水螅体（feeding polyps）和性水螅体（sexual polyps）作为它们的解剖结构的一部分。这些特殊的性水螅体产生卵子和精子，这使得它们在功能上类似于人类等物种中的性腺。
 
在人类胚胎发育过程中，一小部分最终会变成配子的生殖细胞保留下来，人类一生中产生的所有精子或卵子都是这些原始的少量生殖细胞的后代。鉴于人类没有能力补充其原始生殖细胞库，因此这些生殖细胞由于任何原因而丢失都会导致不孕不育。
 
在之前的一项研究中，Baxevanis博士和佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室的Christine Schnitzler博士完成了对贝螅基因组的首次测序。在这项新的研究中，这些研究人员利用这些信息仔细检查这种生物体的基因组，以寻找为什么我们与亲缘关系最为遥远的动物之一之间的生殖能力存在如此显著差异的线索。
 
Baxevanis博士说，“有了这种高质量的全基因组序列数据，我们可以迅速缩小对特定基因的搜索范围，这些基因可以使得贝螅的干细胞变成生殖细胞。”
 
这些研究人员比较了基因在贝螅的摄食水螅体和性水螅体中的行为。他们发现，在雄性和雌性贝螅中，Tfap2基因在性水螅体中的活性比在摄食水螅体中的活性高得多。这表明这个基因可能在产生生殖细胞中起着重要的作用。
 
接着，这些研究人员证实Tfap2确实是控制生殖细胞永久产生过程的开关。他们使用CRISPR-Cas9基因编辑技术移除贝螅中的Tfap2，并测量了对生殖细胞产生的影响。他们发现移除贝螅中的Tfap2会阻止生殖细胞形成，从而支持了Tfap2控制这一过程的观点。
 
这些研究人员还想知道Tfap2是否在影响特定细胞转化为生殖细胞。他们的分析表明，Tfap2仅导致贝螅中的成体干细胞转变为生殖细胞。
 
有趣的是，Tfap2基因除了参与无数其他过程外，还调节人类生殖细胞的产生。然而，在人类中，生殖细胞在发育早期就与非生殖细胞分离开了。然而，尽管贝螅和人类之间的进化距离很大，但它们都共享一个将干细胞转变为生殖细胞的关键基因。
 
参考资料：
 
1.Timothy Q. DuBuc et al. Transcription factor AP2 controls cnidarian germ cell induction. Science, 2020, doi:10.1126/science.aay6782.
 
2.How a tiny and strange marine animal produces unlimited eggs and sperm over its lifetime
https://phys.org/news/2020-02-tiny-strange-marine-animal-unlimited.html