6月2日，我校動物科學(xué)學(xué)院國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心主任/溫氏食品集團(tuán)首席科學(xué)家吳珍芳教授團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)刊物Nature Communications在線發(fā)表了題為“Cell-cell communication -mediated cell-type-specific parent-of-origin effects in mammals”的重要研究成果。該研究通過構(gòu)建高分辨率豬胎盤單細(xì)胞圖譜，揭示了基因組印記基因在細(xì)胞類型和發(fā)育階段的動態(tài)調(diào)控規(guī)律，鑒定出118個(gè)高置信度的印記基因，其中97個(gè)為哺乳動物中首次發(fā)現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)超過75%的印記基因呈現(xiàn)出細(xì)胞類型特異性或發(fā)育階段特異性，揭示了細(xì)胞間通訊是驅(qū)動這種細(xì)胞類型特異性印記形成的關(guān)鍵分子機(jī)制。本研究不僅發(fā)現(xiàn)了豬中大量新的印記基因，更通過跨物種比較揭示了細(xì)胞微環(huán)境對印記基因形成的核心作用，為理解胎盤發(fā)育進(jìn)化及復(fù)雜性狀的形成提供了新的視角。

　　基因組印記（Genomic Imprinting）是一種表觀遺傳現(xiàn)象，指某些基因的表達(dá)取決于其親本來源（父源或母源拷貝中只有一方表達(dá)）。它打破了二倍體哺乳動物雙等位基因的均等表達(dá)，如同給基因貼上了“父母標(biāo)簽”，是影響哺乳動物胚胎發(fā)育、胎盤功能及復(fù)雜性狀形成（如豬的產(chǎn)肉量）的重要因素。印記基因的表達(dá)具有高度的物種特異性、時(shí)空特異性和組織特異性。盡管在人類和小鼠中已分別發(fā)現(xiàn)230個(gè)、260個(gè)印記基因，但其中僅有約60-70個(gè)在物種間保守。在豬這一重要的農(nóng)業(yè)動物和生物醫(yī)學(xué)模型中，已證實(shí)的印記基因數(shù)量不足100個(gè)，存在大量空白。尤為關(guān)鍵的是，人類研究表明超過半數(shù)印記基因僅在胎盤中呈現(xiàn)印記狀態(tài)，但親源效應(yīng)介導(dǎo)的基因表達(dá)在何時(shí)、何地、通過何種形式實(shí)現(xiàn)特異性調(diào)控的普適性分子機(jī)制尚不清晰。深入解析豬的基因組印記，尤其是其細(xì)胞類型特異性的形成機(jī)制，對于填補(bǔ)知識空白、理解哺乳動物印記的普遍規(guī)律以及推動豬分子育種均具有重要意義。

　　本研究利用瘦肉型豬（杜洛克）與培育品種（魯萊豬）的基因資源，以其正反交雜交F?代個(gè)體的胎盤組織為研究對象，通過整合單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序、基因組重測序以及跨物種分析等前沿技術(shù)，在單細(xì)胞分辨率下深入地探究了豬胎盤發(fā)育過程中基因組印記的動態(tài)變化及其調(diào)控機(jī)制。主要研究結(jié)果包括：

　　（1）構(gòu)建了豬胎盤細(xì)胞類型特異性基因組印記圖譜，破除豬IGF2R印記狀態(tài)的爭議

　　基于超過12萬個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及免疫熒光等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了豬胎盤單細(xì)胞圖譜（porcine placental cell atlas, PPCA），鑒定到5種大類細(xì)胞和14種滋養(yǎng)層細(xì)胞亞型。在課題組前期基于組織水平研究基礎(chǔ)上（Nature Communications, 2024, 15(1):5587），整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與親本豬只基因組重測序數(shù)據(jù)，共鑒定到118個(gè)候選印記基因，其中97個(gè)為哺乳動物中首次報(bào)道。值得注意的是，基于不同時(shí)期的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，本研究發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)印記基因的印記狀態(tài)在不同細(xì)胞類型或發(fā)育階段保持不變，而絕大部分（約75%）呈現(xiàn)出細(xì)胞類型特異性或發(fā)育階段特異性。其中，IGF2R僅在豬胎盤的血管內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞等少數(shù)幾個(gè)細(xì)胞類型中表現(xiàn)為母源等位基因特異性表達(dá)，而在其他細(xì)胞類型中均為雙等位基因表達(dá)。這解釋了多項(xiàng)基于組織水平的研究在IGF2R印記狀態(tài)上存在不一致甚至相互矛盾。究其原因，組織水平的研究包含了多種細(xì)胞類型，這種混雜導(dǎo)致難以準(zhǔn)確識別，甚至可能誤判特定基因的等位基因特異性表達(dá)信息。

　　（2）發(fā)現(xiàn)了AMPH和DPPA5是影響豬胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞生長發(fā)育的關(guān)鍵印記基因

　　通過擬時(shí)序分析推斷妊娠期第40天和70天豬胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞的分化軌跡，發(fā)現(xiàn)滋養(yǎng)層祖細(xì)胞在兩個(gè)時(shí)期的分化命運(yùn)存在顯著差異，且基因表達(dá)量變化最顯著的為新鑒定的AMPH和DPPA5印記基因。通過RT-PCR 及桑格測序?qū)嶒?yàn)明確了這兩個(gè)基因在妊娠期第40天為雙等位基因表達(dá)，而在第70天為父源等位基因特異性表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DNA 去甲基化的胞苷脫氨酶 （AICDA）與滋養(yǎng)層祖細(xì)胞AMPH 和DPPA5的表達(dá)水平密切相關(guān)。研究結(jié)果提示AICDA 可能通過 DNA 去甲基化作用改變AMPH和DPPA5的印記狀態(tài)及表達(dá)水平，從而調(diào)控豬胎盤滋養(yǎng)層的生長發(fā)育。

　　（3）揭示了細(xì)胞互作可能是介導(dǎo)細(xì)胞類型特異性基因組印記形成的重要因素

　　配體-受體信號通路介導(dǎo)的細(xì)胞互作在細(xì)胞類型對內(nèi)外因素的適應(yīng)性或選擇壓力的反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。通過配體-受體分析、免疫共沉淀（co-IP）實(shí)驗(yàn)以及開發(fā)細(xì)胞類型特異性基因共表達(dá)指數(shù)計(jì)算方法等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大部分印記基因傾向于在其發(fā)生印記的細(xì)胞類型中形成自分泌信號通路。有趣的是，通過跨物種分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自分泌信號通路在特定的細(xì)胞類型中形成或缺失時(shí)，其對應(yīng)基因的印記狀態(tài)也在特定細(xì)胞類型中發(fā)生改變。這不僅解釋了IGF2R印記狀態(tài)在豬、人類和小鼠胎盤細(xì)胞中的異同，也為闡明驅(qū)動親源效應(yīng)介導(dǎo)的基因表達(dá)的普適分子機(jī)制提供了新見解。

　　綜上所述，本研究針對親源效應(yīng)導(dǎo)致的等位基因特異性表達(dá)這一核心科學(xué)問題，以豬正反雜交胎盤組織為對象，系統(tǒng)揭示了細(xì)胞類型特異性基因組印記的形成機(jī)制。在單細(xì)胞水平上精確構(gòu)建了豬胎盤細(xì)胞類型特異性基因組印記圖譜，破除了部分基因印記狀態(tài)的長期爭議，發(fā)掘出系列關(guān)鍵印記基因，并首次闡明細(xì)胞間通訊是驅(qū)動這種細(xì)胞類型特異性印記狀態(tài)的關(guān)鍵分子機(jī)制。研究結(jié)果不僅加深了對基因組印記這一現(xiàn)象的認(rèn)知，也為種豬選育與基因組選配提供了重要的參考依據(jù)。

　　動物科學(xué)學(xué)院吳家勁博士后、鄭恩琴高級實(shí)驗(yàn)師和劉瑯青副教授為本論文共同第一作者，吳珍芳教授、楊杰教授和蔡更元研究員為本研究的共同通訊作者。

　　相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60469-y

文圖/動物科學(xué)學(xué)院