研究背景

胎生是脊椎動物中廣泛存在的一種生殖策略，其特征為受精卵在母體內發(fā)育，直至胚胎發(fā)育成熟后才被產出。與這一普遍模式形成鮮明對比的是，海馬科物種演化出了極為特殊的“雄性懷孕”現象，該獨特的生命史策略為研究動物生殖系統(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制，抑或是通過同源通路或全新的細胞調控路徑實現？盡管已有比較基因組學研究初步揭示了該生殖方式轉變的遺傳背景，然而相關基因在特定細胞類型中的表達模式及其演化軌跡仍不清楚。

在結構上，海馬育兒袋與有袋類動物的育兒袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜動物子宮與胎盤的特點。在雄性懷孕過程中，其育兒袋內層組織發(fā)生顯著肥大與血管化，形成一種被稱為“偽胎盤”的結構，可執(zhí)行氣體交換與營養(yǎng)物質傳遞等典型的胎盤功能。此外，海馬在進化過程中丟失了?foxp3?基因——該基因在哺乳動物中對調節(jié)性T細胞（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)了對其在懷孕過程中免疫耐受機制的特殊適應性的探討。

研究內容和結果

對海馬育兒袋7個發(fā)育階段進行單細胞轉錄組測序，鑒定出14個細胞簇，分為四大主要細胞類型：上皮細胞（EPCs，9個簇）、成纖維細胞（FBs，2個簇）、免疫細胞（ICs，2個簇）和內皮細胞（ENCs，1個簇）。細胞的空間分布對細胞間相互作用及其功能維持至關重要。

對妊娠早期胎盤囊進行空間轉錄組測序（測序平臺BMKMANU?S1000）發(fā)現，EPCs在胎盤囊的三層結構中均呈現高豐度。其中，EPCs-II（高表達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菌方面發(fā)揮作用。相比之下，EPCs-III（tfa+）和EPCs-IV（gata1+）在內層富集，與“鐵穩(wěn)態(tài)”、“細胞遷移”及“血管發(fā)育”相關，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。作為細胞外基質（ECM）的主要來源，FBs存在于中間層，富集“膠原蛋白生成”，可能促進胎盤囊結構形成和組織重塑。ICs則分散于三層結構中，調控免疫穩(wěn)態(tài)。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空間轉錄組數據聯合分析，作者發(fā)現了具有干細胞潛能的”育兒袋上皮祖細胞（BEPCs）”。研究顯示，該類細胞在發(fā)育過程中與膠原蛋白基因呈現協(xié)同表達，并受到雄激素信號的強烈驅動。研究進一步證實，外源性雄激素處理可誘導雌性海馬形成育兒袋結構。由此，雄激素受體及其調控的育兒袋上皮祖細胞作為觸發(fā)育兒袋器官生成的關鍵起始因子。

圖1?細胞圖譜構建

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

圖2?海馬假胎盤形成與子宮重塑的單細胞轉錄組分析圖譜

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

進一步研究表明，海馬育兒袋與哺乳動物子宮在細胞和遺傳層面具有顯著同源性。海馬與哺乳動物生殖系統(tǒng)所呈現的趨同進化現象，可能源于特定細胞類型通過趨同演化形成相似的轉錄特征，進而實現類似功能，最終推動胎生機制的形成。

圖3?細胞類型進化分析

研究總結

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