研究背景

胎生是脊椎動(dòng)物中廣泛存在的一種生殖策略，其特征為受精卵在母體內(nèi)發(fā)育，直至胚胎發(fā)育成熟后才被產(chǎn)出。與這一普遍模式形成鮮明對(duì)比的是，海馬科物種演化出了極為特殊的“雄性懷孕”現(xiàn)象，該獨(dú)特的生命史策略為研究動(dòng)物生殖系統(tǒng)的演化提供了重要窗口：功能性相似的生殖方式究竟源于趨同的分子機(jī)制，抑或是通過同源通路或全新的細(xì)胞調(diào)控路徑實(shí)現(xiàn)？盡管已有比較基因組學(xué)研究初步揭示了該生殖方式轉(zhuǎn)變的遺傳背景，然而相關(guān)基因在特定細(xì)胞類型中的表達(dá)模式及其演化軌跡仍不清楚。

在結(jié)構(gòu)上，海馬育兒袋與有袋類動(dòng)物的育兒袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜動(dòng)物子宮與胎盤的特點(diǎn)。在雄性懷孕過程中，其育兒袋內(nèi)層組織發(fā)生顯著肥大與血管化，形成一種被稱為“偽胎盤”的結(jié)構(gòu)，可執(zhí)行氣體交換與營養(yǎng)物質(zhì)傳遞等典型的胎盤功能。此外，海馬在進(jìn)化過程中丟失了?foxp3?基因——該基因在哺乳動(dòng)物中對(duì)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）的發(fā)育與功能維持具有核心作用，這一遺傳缺失也引發(fā)了對(duì)其在懷孕過程中免疫耐受機(jī)制的特殊適應(yīng)性的探討。

研究內(nèi)容和結(jié)果

對(duì)海馬育兒袋7個(gè)發(fā)育階段進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定出14個(gè)細(xì)胞簇，分為四大主要細(xì)胞類型：上皮細(xì)胞（EPCs，9個(gè)簇）、成纖維細(xì)胞（FBs，2個(gè)簇）、免疫細(xì)胞（ICs，2個(gè)簇）和內(nèi)皮細(xì)胞（ENCs，1個(gè)簇）。細(xì)胞的空間分布對(duì)細(xì)胞間相互作用及其功能維持至關(guān)重要。

對(duì)妊娠早期胎盤囊進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組測序（測序平臺(tái)BMKMANU?S1000）發(fā)現(xiàn)，EPCs在胎盤囊的三層結(jié)構(gòu)中均呈現(xiàn)高豐度。其中，EPCs-II（高表達(dá)C型凝集素）在外層富集，可能暗示其在早期聚集外部吸附物或抑制表皮細(xì)菌方面發(fā)揮作用。相比之下，EPCs-III（tfa+）和EPCs-IV（gata1+）在內(nèi)層富集，與“鐵穩(wěn)態(tài)”、“細(xì)胞遷移”及“血管發(fā)育”相關(guān)，其在雄性妊娠胎盤形成過程中可能參與侵襲和血管化過程。作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要來源，F(xiàn)Bs存在于中間層，富集“膠原蛋白生成”，可能促進(jìn)胎盤囊結(jié)構(gòu)形成和組織重塑。ICs則分散于三層結(jié)構(gòu)中，調(diào)控免疫穩(wěn)態(tài)。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，作者發(fā)現(xiàn)了具有干細(xì)胞潛能的”育兒袋上皮祖細(xì)胞（BEPCs）”。研究顯示，該類細(xì)胞在發(fā)育過程中與膠原蛋白基因呈現(xiàn)協(xié)同表達(dá)，并受到雄激素信號(hào)的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)。研究進(jìn)一步證實(shí)，外源性雄激素處理可誘導(dǎo)雌性海馬形成育兒袋結(jié)構(gòu)。由此，雄激素受體及其調(diào)控的育兒袋上皮祖細(xì)胞作為觸發(fā)育兒袋器官生成的關(guān)鍵起始因子。

圖1?細(xì)胞圖譜構(gòu)建

在雄性妊娠期間，海馬卵囊內(nèi)層會(huì)發(fā)生顯著的形態(tài)學(xué)改變并呈現(xiàn)肥大，形成類似胎盤的組織結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞譜系轉(zhuǎn)變過程中，多個(gè)海馬特異性基因（如pastn1、sp-chia）在偽胎盤形成中起關(guān)鍵作用。作者發(fā)現(xiàn)EPC-I（muc15）、EPC-I（cxcl14）和EPC-IV在人類中與絨毛外滋養(yǎng)層細(xì)胞（EVTs）及絨毛滋養(yǎng)層細(xì)胞（VCTs）具有高度相似的基因表達(dá)譜，海馬雄性妊娠和哺乳動(dòng)物常規(guī)雌性妊娠的胎盤形成過程，可能具有趨同的細(xì)胞機(jī)制和調(diào)控基礎(chǔ)。海馬缺乏foxp3基因（哺乳動(dòng)物中調(diào)控Treg細(xì)胞的關(guān)鍵基因），但可能通過其它免疫細(xì)胞（如cd4+il2rb+?Tregs?和巨噬細(xì)胞）維持對(duì)胚胎的免疫耐受。

圖2?海馬假胎盤形成與子宮重塑的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析圖譜

通過跨物種比較基因組學(xué)與單細(xì)胞多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，盡管存在物種特異性差異，海馬假胎盤中的多數(shù)細(xì)胞類型在轉(zhuǎn)錄組特征上高度近似于人類的滋養(yǎng)層細(xì)胞——后者在調(diào)控胎兒生長及母體妊娠適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，EPCs-II型細(xì)胞兼具表皮分化特征與凝集素介導(dǎo)的黏附功能，其可能是卵囊演化起源的重要線索。

進(jìn)一步研究表明，海馬育兒袋與哺乳動(dòng)物子宮在細(xì)胞和遺傳層面具有顯著同源性。海馬與哺乳動(dòng)物生殖系統(tǒng)所呈現(xiàn)的趨同進(jìn)化現(xiàn)象，可能源于特定細(xì)胞類型通過趨同演化形成相似的轉(zhuǎn)錄特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)類似功能，最終推動(dòng)胎生機(jī)制的形成。

圖3?細(xì)胞類型進(jìn)化分析

研究總結(jié)

該研究通過細(xì)胞分子與發(fā)育生物學(xué)的多維度分析，深入解析其卵囊發(fā)育與妊娠過程中的細(xì)胞遺傳動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，卵囊形成的關(guān)鍵在于一種具有干細(xì)胞潛能的“育兒袋上皮祖細(xì)胞”群體。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，雄激素在卵囊形成中起主導(dǎo)作用。通過對(duì)其它動(dòng)物的對(duì)比研究，作者揭示了海馬雄性親代撫育的早期進(jìn)化機(jī)制，以及其細(xì)胞特征，存在與哺乳動(dòng)物胎生動(dòng)物相似的生命功能的趨同演化。