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出品：科普中國

作者：張茹（中科院水生生物研究所）

監製：中國科普博覽

中國是一個(ge) 妥妥的“吃魚大國”，中國人的飯桌上，魚是一道不可或缺的家常菜。最近聽說很多人看完《狂飆》都想去市場賣魚，如果你能掌握讓魚穩定又高產(chan) 地繁殖下去的秘密，就不愁沒有魚賣了。

最近，中國科學院水生生物研究所孫永華團隊與(yu) 華中農(nong) 業(ye) 大學陳振夏團隊合作的研究論文就從(cong) 線粒體(ti) 的角度，探索了魚類繁殖的奧秘。

（圖片來源：Veer圖庫）

水中小白鼠上陣！

中國人吃魚，不靠向大自然無限製地索取，而是靠自力更生自己養(yang) 。中國是世界上主要漁業(ye) 國家中唯一一個(ge) 養(yang) 殖產(chan) 量超過捕撈產(chan) 量的，水產(chan) 養(yang) 殖業(ye) 也成為(wei) 關(guan) 係國計民生的重要行業(ye) 之一。

從(cong) 古至今，中國人為(wei) 獲得供應量大且穩定的漁業(ye) 資源，做出了各種各樣的努力與(yu) 嚐試。早在3000多年前的商代，我們(men) 的祖先就開始嚐試人工養(yang) 魚。中國第一代富商範蠡寫(xie) 下了全球首部養(yang) 魚著作《養(yang) 魚經》。到了現代，中國科學家們(men) 也為(wei) 挖掘魚類繁育奧秘，實現可持續水產(chan) 養(yang) 殖做出了許多貢獻。

提到現代生物學中對於(yu) 魚類生殖發育的研究，就不得不好好感謝一種活躍在水族箱中的小型熱帶觀賞魚——斑馬魚。這種來自熱帶溪流中的小魚兒(er) 因全身布滿多條深藍色條紋，酷似斑馬而得名。

斑馬魚是研究魚類及脊椎動物發育的重要動物模型，因此享有“水中小白鼠”之稱，這種小魚蘊含著魚類維持與(yu) 繁衍的奧秘。

國家斑馬魚資源中心的實驗用斑馬魚

（圖片來源：國家斑馬魚資源中心）

魚從(cong) 哪裏來？——生殖幹祖細胞

以斑馬魚為(wei) 模型的研究已經鑒定出了諸多的生殖質因子（在動物卵母細胞中存在由蛋白質和RNA組成的具有一定形態結構的特殊的細胞質，稱為(wei) “生殖質”（Germ plasm），這些因子決(jue) 定了原始生殖細胞的特化與(yu) 生殖幹細胞命運的維持。

等等，什麽(me) 是原始生殖細胞，什麽(me) 又是生殖幹細胞呢？

在成年動物性腺中存在一群獨特的細胞類型，叫作生殖幹細胞（germline stem cells, GSCs)。精子和卵子各自的起始細胞分別叫作精原幹細胞(spermatogonial stem cell, SSC)和卵原幹細胞（oogonial stem cell, OSC），它們(men) 均來源於(yu) 胚胎期的原始生殖細胞(primordial germ cell, PGC)。

原始生殖細胞是早期胚胎發育過程中最早建立的一群生殖幹細胞，因此又被稱為(wei) 生殖祖細胞（Progenitor Cell）。胚胎期以及成體(ti) 中具有幹細胞特性的生殖細胞統稱為(wei) 生殖幹祖細胞（Germline Stem and Progenitor Cell，GSPC）。

魚類生殖細胞發育

（圖片來源：作者）

魚怎麽(me) 來？——生殖幹祖細胞命運的維持與(yu) 分化

作為(wei) 生命個(ge) 體(ti) 內(nei) 唯一向後代傳(chuan) 遞遺傳(chuan) 信息的載體(ti) 和傳(chuan) 播者，生殖幹祖細胞擔負著生物界延續生命的重要使命。生殖幹祖細胞的特化、遷移和命運維持過程受到多種基因和信號通路的綜合調控。生殖幹祖細胞的定向分化包括兩(liang) 種決(jue) 定：

第一種是決(jue) 定進行自我更新還是分化。進行自我更新的生殖幹祖細胞，將會(hui) 進入有絲(si) 分裂，不斷產(chan) 生新的幹祖細胞；如果選擇分化，生殖幹祖細胞會(hui) 進入減數分裂，分化為(wei) 終極形態（就是像精子和卵子這樣能夠進行世代傳(chuan) 遞的生殖細胞）。

第二種決(jue) 定是進入減數分裂的生殖幹祖細胞是發育為(wei) 卵子還是精子。

生殖幹祖細胞的自我更新與(yu) 分化必須達到動態平衡，才能源源不斷地產(chan) 生精子和卵子，從(cong) 而讓物種得以繁衍，生生不息。

生殖幹祖細胞的自我更新（self-renewal）與(yu) 分化(differentiation)

生殖幹祖細胞自我更新增強，而分化減弱時導致生殖細胞瘤（SEMINOMA）；自我更新減少而分化增強將會(hui) 導致精原幹細胞的衰竭（SPERMATOGENESIS DEPLETION）

（圖片來源：Xie, et al., Biomolecules, 2020）

活躍的線粒體(ti) 網絡為(wei) 幹細胞命運決(jue) 定提供“原力”

線粒體(ti) 被稱為(wei) 細胞的“動力工廠”，通過有氧呼吸和氧化磷酸化產(chan) 生ATP，為(wei) 細胞活動提供能量。同時，線粒體(ti) 是高度動態的細胞器，線粒體(ti) 不斷進行融合（fusion）和分裂（fission）的動態變化，稱為(wei) 線粒體(ti) 動力學。

簡單來說，細胞中的線粒體(ti) 可以由一個(ge) 分裂為(wei) 多個(ge) ，也可以由多個(ge) 融合成為(wei) 一個(ge) 。線粒體(ti) 融合和分裂的動態平衡是線粒體(ti) 質量控製的重要途徑之一，對於(yu) 其自我更新和功能的發揮必不可少。

在生殖細胞的不同發育階段，線粒體(ti) 數量、大小和形態分布均不相同，線粒體(ti) 動力學對於(yu) 生殖功能的調控越來越受到關(guan) 注。

線粒體(ti) 分裂（左）與(yu) 融合（右），圖中綠色部分為(wei) 線粒體(ti) ，紫色部分為(wei) 內(nei) 質網

（圖片來源：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31308-4）

（動圖）

Pld6——魚類生殖幹祖細胞中線粒體(ti) 動態的“穩定器”

線粒體(ti) 為(wei) 細胞發育提供的“原力”既需要源源不絕，又不能夠泛濫無節，那麽(me) 是什麽(me) 控製著線粒體(ti) 功能的呢？

來自中科院水生所的研究者們(men) 利用斑馬魚為(wei) 模型進行研究，在魚類生殖幹祖細胞中發現了一個(ge) 奇特的基因：Pld6，它能夠控製線粒體(ti) 融合和線粒體(ti) 動態。

那麽(me) Pld6是如何發揮作用的呢？

簡單說來，在魚類生殖幹祖細胞中，Pld6就像是一個(ge) “穩定器”，控製著細胞中高度動態的線粒體(ti) 這一“能量泵”的有序輸出，從(cong) 而調控生殖幹祖細胞自我更新和分化的平衡和穩定。

線粒體(ti) 融合調控因子pld6特異表達於(yu) 生殖細胞譜係

Ovary:卵巢；testis：精巢

（圖片來源：作者提供）

如果你還是覺得Pld6比較陌生，可以看看下麵這張圖：

Advanced Science第9卷第36期背封麵：大禹治水圖

（圖片來源：張茹博士、孫永華研究員設計，邦圖創作）

正如研究者繪製的這幅極具中國特色的“大禹治水”圖，它形象呈現了Pld6介導的線粒體(ti) 融合和線粒體(ti) 動態調控魚類生殖細胞係發育穩態和物種生殖繁衍的科學故事。

生命的生生不息如同母親(qin) 河的湍流不息，而生殖細胞的更新和分化，如同“ 黃河之水天上來，奔流到海不複回”；生殖細胞“代代無窮已”卻並不泛濫，就如同洪水沿著河道順勢奔流到海。

這幅圖用大禹手持耒耜治理洪水來寓意線粒體(ti) 融合因子Pld6治理和保障生殖幹祖細胞的自我更新和分化的平衡，從(cong) 而造就了母親(qin) 河的綿延萬(wan) 裏，奔騰不息，孕育出無數的生命。

結語

魚類的培育與(yu) 我們(men) 的生活息息相關(guan) ，也是漁業(ye) 關(guan) 注的重點問題。盡管魚類種類繁多，但是能夠實現大規模人工養(yang) 殖的優(you) 良品種卻十分匱乏。深入了解魚類生殖調控機製，不僅(jin) 能幫助促進已有魚類的繁殖，也能有利於(yu) 培育新的養(yang) 殖品種。

相信不久的將來，越來越豐(feng) 富、越來越優(you) 質、越來越平價(jia) 的魚會(hui) 出現在中國人千家萬(wan) 戶的餐桌上。

編輯：郭雅欣

注1：本文相關(guan) 內(nei) 容已在Advanced Science以背封麵論文正式發表，論文標題為(wei) ：“A Germline-Specific Regulator of Mitochondrial Fusion is Required for Maintenance and Differentiation of Germline Stem and Progenitor Cells”。

注2：文中拉丁文部分應為(wei) 斜體(ti) 。

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