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珍珠贝性腺发育中TSSK基因家族的进化保守性与功能分析揭示其通过调控元件和表达模式影响性别分化及珍珠形成。
唐荣军 国|应国|裴旺|秀秀桑|伟伟陈|若琳朱|洪晨王|传英潘|丽蓉白|大慧余
中国钦州北部湾大学广西海洋环境灾害过程与生态保护技术重点实验室，535011
摘要
Pinctada fucata是重要的海水珍珠贝物种，其性腺成熟的调控对珍珠贝养殖至关重要。本研究探讨了该物种中睾丸特异性丝氨酸/苏氨酸激酶家族（PfTSSK）的遗传特征和表达模式。共鉴定出6个PfTSSK基因，分别为PfTSSK1、PfTSSK1-like、PfTSSK3、PfTSSK4、PfTSSK5和PfTSSK7，其中PfTSSK1-like是首次在P. fucata中发现的成员。系统发育和保守基序分析表明，这些基因在双壳类动物中高度保守，但与哺乳动物的相应基因存在进化差异。顺式调控元件分析表明，该基因家族可能通过基因调控影响生长和发育过程。表达谱分析显示，PfTSSK基因在睾丸中的表达量最高，尤其是在睾丸成熟期间；在卵巢中的表达量较低，但与雌性配子发生同步。原位杂交结果表明，PfTSSK基因在睾丸和卵巢中的多种细胞中均有表达，表明它们参与雄性和雌性配子的形成。本研究为双壳类动物生殖发育的分子机制提供了新的见解，并为调控性腺发育和配子发生的分子调控网络奠定了理论基础。
引言
睾丸特异性丝氨酸/苏氨酸激酶（TSSK）是少数参与调控精子发生的蛋白激酶之一，仅在雄性生殖细胞和睾丸中特异性表达（Salicioni等人，2020年）。该基因家族包含6个成员，其中TSSK5在Homo sapiens中被认为是假基因（Zhang等人，2010年），其余成员均在精子发生的后期阶段特异性表达。它们通过磷酸化作用调节精子功能，发挥关键作用（Salicioni等人，2020年）。TSSK1和TSSK2定位于精子头部，调控精子头部的形态和功能（Li等人，2010年）。TSSK3的缺失会导致精子数量减少和头部异常（Nayyab等人，2021年）。TSSK4的缺失会导致精子鞭毛异常和运动能力显著下降（Wang等人，2015年；Wang等人，2016年）。TSSK6的缺失会导致精子受精能力丧失（Sosnik等人，2009年）。因此，TSSK家族在精子发生的后期阶段起着不可或缺的作用。
目前，关于双壳类动物中TSSK家族的研究已取得进展。在帽贝（Atrina pectinata）中，发现TSSK1仅在睾丸中表达，且在成熟睾丸中的表达量最高（Li等人，2016年）。在太平洋鲍鱼（Haliotis discus hannai）中，鉴定出TSSK1-like，并在减数分裂后期表现出高表达（Kim等人，2019年）。在扇贝（Argopecten irradians）中，首次对双壳类动物中的TSSK家族进行了全面分析，并首次发现了TSSK7。所有这些基因均在睾丸中特异性表达，并定位于精原细胞和精子细胞中（Xue等人，2021年）。这些研究进一步证实了TSSK家族在双壳类动物雄性生殖发育中的关键作用。
Pinctada fucata是全球海洋珍珠生产中最常见的养殖物种（Yang等人，2017年）。在珍珠养殖过程中，宿主牡蛎的性别显著影响珍珠的形成和质量。因此，有效控制宿主牡蛎的性别可以提高珍珠养殖效率并促进高品质珍珠的生产（Iwai等人，2015年）。然而，P. fucata的性别决定不仅受季节变化和环境因素的影响，还受遗传因素的影响（Mulyana等人，2018年；Adzigbli等人，2019年）。尽管性别决定和分化在软体动物的生殖生物学中起着关键作用，但关于P. fucata性别发育的分子机制的研究仍有限。鉴于上述研究空白，本研究旨在通过系统分析P. fucata中与性别决定相关的基因来填补这一空白。我们鉴定了6个PfTSSK家族基因，并对其保守基序、基因结构和顺式调控元件进行了深入分析。这些基因可能在性别分化中发挥重要作用。此外，我们还探讨了这些基因在不同组织和性腺发育不同阶段的表达模式，分析了它们的表达分布。通过这一系列研究，我们旨在了解PfTSSK家族在P. fucata性别发育分子机制中的功能作用。
部分摘要
在P. fucata中鉴定PfTSSK
通过将H. sapiens、M. musculus和A. irradians的TSSK序列与P. fucata基因组进行比对，鉴定出6个PfTSSK基因。经过RACE扩增后，测序得到了这6个PfTSSK成员的全长序列，长度从1138 bp到2720 bp不等，编码的蛋白质氨基酸数从294个到765个不等。所有这些基因都包含STKc结构域。理论上的蛋白质分子量范围为33.766 kDa至85.875 kDa，理论pI值范围为8.34至9.67。
讨论
P. fucata是全球海洋珍珠生产中最常见的养殖物种，在珍珠产业中具有重要的经济价值（He等人，2020年）。在珍珠养殖过程中，珍珠核被植入受体牡蛎的性腺中，同时植入一小块外套膜（Wang等人，2024年）。因此，性腺中缺乏配子的牡蛎更有利于珍珠生产，雄性受体牡蛎能够产出更高价值的珍珠。
结论
在本研究中，我们鉴定了P. fucata中的6个PfTSSK基因，并对其特征进行了全面分析。系统发育和保守基序分析表明，双壳类动物和哺乳动物中的TSSK家族基因存在显著差异，表明该基因家族经历了适应环境的进化。顺式调控元件分析结合PfTSSK基因的表达模式进一步强调了其关键作用。
CRediT作者贡献声明
唐荣军：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理。应国：可视化、方法学。裴旺：可视化、方法学。秀秀桑：可视化、数据管理。伟伟陈：方法学、研究。若琳朱：方法学、研究。洪晨王：可视化。传英潘：正式分析。丽蓉白：撰写——审阅与编辑、项目管理。大慧余：撰写——审阅与编辑。
致谢
本研究得到了中央政府支持的科技发展专项资金（GK ZY21195020）、广西自然科学基金计划（2021GXNSFAA075008）、广西一流学科海洋科学计划、北部湾大学（DRB001、DRB002）以及北部湾海洋生物多样性保护广西重点实验室（2022ZB02、2022ZA01）的支持。
