雄激素缺乏增强代偿性孕激素-Insl3信号轴以维持Cyp17a1缺陷型鲤鱼（Cyprinus carpio）的精子发生

《Aquaculture Reports》：Androgen deficiency augments a compensatory progestin-Insl3 signaling axis to sustain spermatogenesis in cyp17a1-deficient common carp (Cyprinus carpio)

　　

在旨在通过全雌性养殖提升产量的鲤鱼（Cyprinus carpio）中，孕激素信号通路在睾丸发育中的作用仍不明确。编码类固醇激素合成关键酶细胞色素P450₁₇（Cyp17a1）的单个基因座，已通过CRISPR/Cas9基因组编辑技术靶向构建了类固醇激素分泌紊乱的全雄突变体（cyp17a1^?/?;XX和cyp17a1^?/?;XY）。因此，cyp17a1缺陷型鲤鱼成为研究睾丸组织发生和精子发生发育后果的独特且宝贵的模型。本研究对cyp17a1^+/+;XY、cyp17a1^?/?;XY和cyp17a1^?/?;XX鲤鱼的睾丸进行了比较转录组学、激素和组织学分析。Cyp17a1敲除导致睾丸肥大，伴随雄激素水平（如睾酮T和11-酮基睾酮11-KT）降低，但孕酮（P4）浓度累积。转录组测序显示，cyp17a1^?/?;XX和cyp17a1^?/?;XY突变体之间存在大量重叠的差异表达基因（DEG）谱，表明转录差异主要归因于cyp17a1缺陷而非遗传性别决定系统。在此共同转录背景下，胰岛素样因子3（insl3）在两种突变基因型中均持续上调，而抗苗勒管激素（amh）则下调。功能验证表明，孕酮通过孕酮受体（Pgr）直接结合insl3启动子上一个保守的孕酮反应元件（PGRE）来激活insl3转录。最后，证实外源性17α,20β-二羟基-4-孕烯-3-酮（DHP）可上调雄激素受体（ar）缺陷型斑马鱼中的insl3表达。这些结果揭示了一种代偿性调控轴，即孕激素信号通过insl3改善了由雄激素信号缺陷引起的精子发生损伤，并为性腺性别分化的遗传基础提供了新的见解，有助于开发可持续的、无激素的单性水产养殖策略。

本研究旨在揭示Cyp17a1缺陷型鲤鱼模型中，性类固醇信号和遗传性别决定因子调控睾丸发育的分子机制。研究发现，当雄激素合成因Cyp17a1缺失而受损时，鱼类通过激活孕激素-Insl3信号轴进行代偿以维持精子发生。研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建的cyp17a1^?/?鲤鱼模型，结合比较转录组分析、性激素水平测定（ELISA）、组织学（H&E染色）、免疫荧光染色、双荧光素酶报告基因检测等多种技术手段，并利用ar^?/?斑马鱼模型进行跨物种验证，系统阐明了该代偿机制。样本来源为实验室内养殖的12月龄cyp17a1不同基因型（cyp17a1^+/+;XY, cyp17a1^?/?;XY, cyp17a1^?/?;XX）鲤鱼群体，以及ar^?/?斑马鱼群体。
研究结果显示，cyp17a1基因敲除导致鲤鱼睾丸显著肥大，性腺指数（GSI）升高，同时血浆和组织中的睾酮（T）和11-酮基睾酮（11-KT）水平显著下降，而孕酮（P4）浓度显著升高。转录组分析表明，cyp17a1^?/?;XX和cyp17a1^?/?;XY突变体之间的差异表达基因谱高度重叠，其转录改变主要由cyp17a1缺陷而非遗传性别决定系统驱动。差异表达基因富集于性腺发育、精子发生和类固醇代谢等过程。其中，insl3基因在突变体睾丸中显著上调，而amh基因显著下调。免疫荧光和蛋白质印迹实验证实了Insl3蛋白表达增加和Amh蛋白表达减少。机制研究发现，cyp17a1缺陷导致的孕酮积累，能够通过孕酮受体（Pgr）直接结合insl3启动子上的保守孕酮反应元件（PGRE），从而特异性地激活insl3转录，而这一作用与amh无关。在ar^?/?斑马鱼模型中，DHP处理也能显著上调insl3的表达，证明孕激素可以在缺乏雄激素信号的情况下独立激活insl3表达。
讨论部分总结指出，在鲤鱼中，Cyp17a1的单基因座缺失导致睾丸广泛转录重编程、GSI增加和insl3上调，这些分子变化可能形成一个代偿网络，在雄激素缺乏的情况下维持睾丸组织和精子发生。cyp17a1^?/?;XY和cyp17a1^?/?;XX鲤鱼的这一现象，为以生态友好方式建立全雌种群提供了便利，并凸显了Cyp17a1在性腺发育中的核心作用，而非遗传性别决定因子。这些发现加深了对硬骨鱼类生殖生理的理解，并为开发可持续、无激素的单性水产养殖技术提供了见解，有助于水产养殖的遗传学应用。
<研究结论>
本研究表明，在鲤鱼中，Cyp17a1的单基因座缺失导致睾丸广泛转录重编程、性腺指数（GSI）增加和insl3上调。这些分子变化可能形成一个代偿网络，在雄激素缺乏的情况下维持睾丸组织和精子发生。cyp17a1^?/?;XX和cyp17a1^?/?;XY鲤鱼的这一现象有助于以生态环保的方式建立全雌种群，并凸显了Cyp17a1在性腺发育中的核心作用，而非遗传性别决定因子。这些发现深化了对硬骨鱼类生殖生理的认识，为开发可持续、无激素的单性水产养殖技术提供了思路，有助于水产养殖的遗传学应用。