顺式调控的差异以及精子发生相关基因的异常表达是导致Drosophila bipectinata物种复合体中杂种雄性不育的原因

《Genetica》：Cis-regulatory divergence and misexpression of spermatogenesis genes underlie hybrid male sterility in the Drosophila bipectinata species complex

本研究以果蝇D. bipectinata亚复合体为模型，整合细胞学、转录组和调控序列分析，揭示杂交雄性不育由精子发生阶段停滞及调控基因表达下调引起，基因启动子区域进化差异（顺式调控）是关键机制，为物种形成研究提供新证据。

　　

摘要

混合雄性不育（Hybrid Male Sterility，HMS）是果蝇（Drosophila）中最常见且最早的种后生殖隔离形式之一，通常由精子发生过程中的缺陷引起，这些缺陷与快速进化的、偏向雄性的基因的调控差异有关。Drosophila bipectinata物种复合体（包括D. bipectinata、D. malerkotliana、D. parabipectinata和D. pseudoananassae）为研究物种形成机制提供了宝贵的模型：所有12个F1代杂交雄性均为不育，且不同杂交组合中精子发生失败的精确阶段各不相同。在本研究中，我们结合了细胞学、转录学和调控序列分析来探讨这一复合体中的不育机制。细胞学观察发现，杂交个体的睾丸在精子发生的不同阶段出现发育停滞，从初级精母细胞数量减少到完全缺乏成熟精子不等。对七个精子发生相关基因（aly、bam、sa、dj、topi、can和Mst98Ca）进行定量RT-PCR分析后发现，杂交雄性中的这些基因表达显著下调，这表明转录调控异常与精子发生过程中的表型缺陷存在关联。为验证这种表达异常是否由调控差异引起，我们分析了这五个基因（aly、bam、sa、dj和topi）的约1-2 kb启动子区域。使用FIMO进行的基序扫描发现了一些特定谱系中的转录因子结合位点变化，PWM-delta分析还显示许多关键睾丸转录因子的结合强度存在显著的种间差异。这些结果表明，Drosophila bipectinata复合体中的HMS现象始终与精子发生停滞以及参与生殖细胞增殖、减数分裂进程和精子生成的基因调控异常相关。表达变化与启动子区域差异的一致性支持了顺式调控进化在杂交不育中的作用，同时也暗示了转录因子介导的调控机制的潜在影响。本研究将Drosophila bipectinata复合体置于果蝇杂交不育现象的更广泛背景中，进一步凸显了精子发生过程及调控差异在物种形成中的进化敏感性。

混合雄性不育（HMS）是果蝇中最常见且最早的种后生殖隔离形式之一，通常由精子发生过程中的缺陷引起，这些缺陷与快速进化的、偏向雄性的基因的调控差异有关。Drosophila bipectinata物种复合体（包括D. bipectinata、D. malerkotliana、D. parabipectinata和D. pseudoananassae）为研究物种形成机制提供了宝贵的模型：所有12个F1代杂交雄性均为不育，且不同杂交组合中精子发生失败的精确阶段各不相同。在本研究中，我们结合了细胞学、转录学和调控序列分析来探讨这一复合体中的不育机制。细胞学观察发现，杂交个体的睾丸在精子发生的不同阶段出现发育停滞，从初级精母细胞数量减少到完全缺乏成熟精子不等。对七个精子发生相关基因（aly、bam、sa、dj、topi、can和Mst98Ca）进行定量RT-PCR分析后发现，杂交雄性中的这些基因表达显著下调，这表明转录调控异常与精子发生过程中的表型缺陷存在关联。为验证这种表达异常是否由调控差异引起，我们分析了这五个基因（aly、bam、sa、dj和topi）的约1-2 kb启动子区域。使用FIMO进行的基序扫描发现了一些特定谱系中的转录因子结合位点变化，PWM-delta分析还显示许多关键睾丸转录因子的结合强度存在显著的种间差异。这些结果表明，Drosophila bipectinata复合体中的HMS现象始终与精子发生停滞以及参与生殖细胞增殖、减数分裂进程和精子生成的基因调控异常相关。表达变化与启动子区域差异的一致性支持了顺式调控进化在杂交不育中的作用，同时也暗示了转录因子介导的调控机制的潜在影响。本研究将Drosophila bipectinata复合体置于果蝇杂交不育现象的更广泛背景中，进一步凸显了精子发生过程及调控差异在物种形成中的进化敏感性。