海马雄性繁衍后代之谜被揭开！《Nature Ecology & Evolution》

近日, 中国科学院南海海洋研究所林强研究员团队联合德国康斯坦茨大学等机构在海龙科鱼类“雄性怀孕”的适应进化与分子调控机制取得突破性进展，相关研究成果以 “Cellular and molecular mechanisms of seahorse male pregnancy” 为题发表于国际著名期刊Nature Ecology & Evolution。该研究聚焦海龙科鱼类中雄性承担怀孕职责的特殊繁殖策略，系统揭示了其育儿袋形成、胚胎营养与免疫保护等关键生理过程的细胞和分子基础。百迈客生物为该研究提供了百创空间转录组BMKMANU S1000服务。

研究背景

胎生是脊椎动物中广泛存在的一种生殖策略，其特征为受精卵在母体内发育，直至胚胎发育成熟后才被产出。与这一普遍模式形成鲜明对比的是，海马科物种演化出了极为特殊的“雄性怀孕”现象，该独特的生命史策略为研究动物生殖系统的演化提供了重要窗口：功能性相似的生殖方式究竟源于趋同的分子机制，抑或是通过同源通路或全新的细胞调控路径实现？尽管已有比较基因组学研究初步揭示了该生殖方式转变的遗传背景，然而相关基因在特定细胞类型中的表达模式及其演化轨迹仍不清楚。

在结构上，海马育儿袋与有袋类动物的育儿袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜动物子宫与胎盘的特点。在雄性怀孕过程中，其育儿袋内层组织发生显著肥大与血管化，形成一种被称为“伪胎盘”的结构，可执行气体交换与营养物质传递等典型的胎盘功能。此外，海马在进化过程中丢失了 foxp3 基因——该基因在哺乳动物中对调节性T细胞（Treg）的发育与功能维持具有核心作用，这一遗传缺失也引发了对其在怀孕过程中免疫耐受机制的特殊适应性的探讨。

研究内容和结果

对海马育儿袋7个发育阶段进行单细胞转录组测序，鉴定出14个细胞簇，分为四大主要细胞类型：上皮细胞（EPCs，9个簇）、成纤维细胞（FBs，2个簇）、免疫细胞（ICs，2个簇）和内皮细胞（ENCs，1个簇）。细胞的空间分布对细胞间相互作用及其功能维持至关重要。

对妊娠早期胎盘囊进行空间转录组测序（测序平台BMKMANU S1000）发现，EPCs在胎盘囊的三层结构中均呈现高丰度。其中，EPCs-II（高表达C型凝集素）在外层富集，可能暗示其在早期聚集外部吸附物或抑制表皮细菌方面发挥作用。相比之下，EPCs-III（tfa+）和EPCs-IV（gata1+）在内层富集，与“铁稳态”、“细胞迁移”及“血管发育”相关，其在雄性妊娠胎盘形成过程中可能参与侵袭和血管化过程。作为细胞外基质（ECM）的主要来源，FBs存在于中间层，富集“胶原蛋白生成”，可能促进胎盘囊结构形成和组织重塑。ICs则分散于三层结构中，调控免疫稳态。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空间转录组数据联合分析，作者发现了具有干细胞潜能的”育儿袋上皮祖细胞（BEPCs）”。研究显示，该类细胞在发育过程中与胶原蛋白基因呈现协同表达，并受到雄激素信号的强烈驱动。研究进一步证实，外源性雄激素处理可诱导雌性海马形成育儿袋结构。由此，雄激素受体及其调控的育儿袋上皮祖细胞作为触发育儿袋器官生成的关键起始因子。

在雄性妊娠期间，海马卵囊内层会发生显著的形态学改变并呈现肥大，形成类似胎盘的组织结构，在细胞谱系转变过程中，多个海马特异性基因（如pastn1、sp-chia）在伪胎盘形成中起关键作用。作者发现EPC-I（muc15）、EPC-I（cxcl14）和EPC-IV在人类中与绒毛外滋养层细胞（EVTs）及绒毛滋养层细胞（VCTs）具有高度相似的基因表达谱，海马雄性妊娠和哺乳动物常规雌性妊娠的胎盘形成过程，可能具有趋同的细胞机制和调控基础。海马缺乏foxp3基因（哺乳动物中调控Treg细胞的关键基因），但可能通过其它免疫细胞（如cd4+il2rb+ Tregs 和巨噬细胞）维持对胚胎的免疫耐受。

通过跨物种比较基因组学与单细胞多组学分析发现，尽管存在物种特异性差异，海马假胎盘中的多数细胞类型在转录组特征上高度近似于人类的滋养层细胞——后者在调控胎儿生长及母体妊娠适应中发挥关键作用。其中，EPCs-II型细胞兼具表皮分化特征与凝集素介导的黏附功能，其可能是卵囊演化起源的重要线索。

进一步研究表明，海马育儿袋与哺乳动物子宫在细胞和遗传层面具有显著同源性。海马与哺乳动物生殖系统所呈现的趋同进化现象，可能源于特定细胞类型通过趋同演化形成相似的转录特征，进而实现类似功能，最终推动胎生机制的形成。

研究总结

该研究通过细胞分子与发育生物学的多维度分析，深入解析其卵囊发育与妊娠过程中的细胞遗传动态。研究发现，卵囊形成的关键在于一种具有干细胞潜能的“育儿袋上皮祖细胞”群体。体内实验证实，雄激素在卵囊形成中起主导作用。通过对其它动物的对比研究，作者揭示了海马雄性亲代抚育的早期进化机制，以及其细胞特征，存在与哺乳动物胎生动物相似的生命功能的趋同演化。