多组学联合分析揭示山东黑牛睾丸发育关键蛋白MCM3/MCM4/CDK1调控精子发生的分子机制

本研究针对山东黑牛睾丸发育与精子发生机制不明的问题，通过整合蛋白质组学和代谢组学分析，鉴定出1553个差异表达蛋白(DEPs)，发现MCM3/MCM4通过增强S期DNA复制活性、CDK1通过调控G2/M期转换共同促进精子发生，同时揭示UDPG和次黄嘌呤分别通过激活MCM和抑制CDK1影响睾丸发育。该研究为家畜育种提供了重要分子标记，论文发表于《BMC Genomics》。

　　

在畜牧业生产中，公牛睾丸发育程度直接影响精液品质和繁殖效率，而山东黑牛作为我国自主培育的优质肉牛品种，其睾丸发育的分子机制尚不明确。传统研究多局限于单组学分析，难以全面揭示睾丸重量与精子发生的关联机制。睾丸重量作为评价公牛繁殖性能的关键指标，其增加主要源于生精小管上皮发育，但调控这一过程的核心蛋白网络仍如"黑箱"。

为解决这一科学问题，青岛农业大学动物科技学院的研究团队创新性地采用多组学联合分析策略，通过对8头12月龄山东黑牛（按睾丸重量>120g和<120g分组）开展系统研究，发现MCM3/MCM4和CDK1构成调控睾丸精子发生的核心分子开关，相关成果发表在《BMC Genomics》。该研究不仅填补了山东黑牛生殖发育的分子空白，更为家畜分子育种提供了新靶点。

研究采用四项关键技术：1)基于iST样本制备和DDA/DIA质谱的定量蛋白质组学；2)LC-MS非靶向代谢组学；3)加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选表型相关模块；4)蛋白互作网络(PPI)结合免疫组化/Western Blot验证。睾丸样本来自山东兆富畜牧科技有限公司，实验获得青岛农业大学动物实验伦理委员会批准(DKY20220805)。

【睾丸表型与组织学特征】
研究发现大睾丸组(G1)睾丸重量和睾丸指数（睾丸重/体重×100%）分别达小睾丸组(G2)的1.8倍和2倍。HE染色显示G1组生精小管腔充盈，支持细胞和生精细胞排列紧密，圆形精子细胞数量是G2组的2倍，提示睾丸重量差异主要源于生精效率。

【差异蛋白调控网络】
蛋白质组鉴定出1219个上调和334个下调DEPs。KEGG分析显示上调蛋白富集于细胞周期（CDK1、CCNB1）、DNA复制（MCM3/4）和p53通路；下调蛋白涉及代谢途径（ACSM1）。WGCNA鉴定出与睾丸重量显著正相关的"MEturquoise"模块（含1059个DEPs），PPI网络进一步锁定MCM3/4、CDK1/2等10个枢纽蛋白。其中MCM家族作为DNA复制许可因子，在G1期形成前复制复合体，CDK1/CCNB1复合物则驱动G2/M期转换。

【代谢重编程机制】
代谢组发现14个上调和59个下调代谢物。关键发现包括：1)尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)上调通过增强糖酵解流促进MCM3/4的S期活性；2)次黄嘌呤下调通过抑制PKA-Wee1/CDK1通路阻碍G2/M期转换。免疫组化证实CDK1和MCM3/4在G1组生精细胞中表达显著增强，Western Blot显示MCM4在睾丸组织特异性高表达。

【分子调控模型】
研究提出双通路调控模型：1)UDPG-MCM轴通过增强DNA复制效率促进支持细胞/间质细胞增殖；2)次黄嘌呤-CDK1轴通过调控细胞周期进程影响生精细胞分化。这种代谢-细胞周期耦合机制解释了睾丸发育差异的分子基础。

该研究的创新价值体现在三方面：首先，首次建立山东黑牛睾丸发育的多组学数据库，填补品种特异性研究空白；其次，发现MCM3/4-CD