Nat Commun丨孟安明团队揭示BMP–Smad1/9信号调控斑马鱼原始生殖细胞发育的分子机制

生殖 细胞 （ germ cells ） 是负责产生配子（卵子和精子）并实现遗传信息跨代传递的一类特殊细胞。生殖细胞的命运特化发生在胚胎发育早期，主要通过两种调控模式实现：先成模式（ preformation mode ）和诱导模式（ induction mode ）。前者依赖卵母细胞中储存的生殖质（ germ plasm ），早期胚胎中某些特定的细胞可以通过继承生殖质直接获得生殖细胞命运，成为原始生殖细胞（ primordial germ cell s ， P GCs ）。后者通过胚胎细胞间 B MP 信号通讯诱导，使一部分胚胎细胞逐渐获得生殖细胞命运成为 P GC s 。 PGC s 的发育是 生殖细胞发育 开端，其 发育 异常可 引起性别分化紊乱、配子发生异常 、 甚至子代 胚胎 发育缺陷等严重后果 。 人类和小鼠等哺乳动物的 P GC s 命运决定通常采用依赖 B MP 信号的诱导模式，而斑马鱼、爪蟾、果蝇等 物 种的 P GC s 特化则依赖卵子中储存的生殖质。 有趣的是，本团队的前期研究发现斑马鱼 P GC s 高表达 B MP 的下游效应因子 Smad 1 、 Smad 5 、 Smad 9 等基因 ，且 斑马鱼 P GC s 中能检测到活化形式的磷酸化 Smad （ phosphorylated S mad ， pSmad ）蛋白。那么，在斑马鱼胚胎中， 激活 形式 的 B MP 信号 是否参与 P GCs 的 发育 调控 ？ B MP 信号在先成模式与诱导模式中作用机制是否一致？

近日， 清华大学生命科学学院孟安明院士团队在Nature Communications期刊发表题为 “ BMP–Smad1/9 信号调控斑马鱼 P GC 增殖 ” （ BMP–Smad1/9 signaling plays a critical role in regulating zebrafish PGC proliferation ） 的研究论文 ，该研究明确了BMP-Smad信号并不参与斑马鱼的PGCs命运决定和迁移调控，而是通过调控DNA损伤应激通路ATR维持PGCs数目。从演化-发育（ Evo-Dev ）角度阐明了BMP信号通过不同分子机制参与先成模式和诱导模式生物的PGCs发育调控。

为了研究 B MP-Smad 信号是否参与斑马鱼 P GC s 的发育调控， 研 究 人员 首先通过 BMP 受体 抑制剂处理 胚胎 ， 通过 生殖质基因 d dx 4 的表达图式， 以及 Tg (piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR) 转基因品系标记 P GC s 的 活体示踪 检测 ，发现 P GC s 细胞数目在 B MP 受体抑制剂处理后出现了明显的下调。为了更加准确地抑制 B MP-S mad 信号下游的效应因子 Smad 的功能，研究人员通过显著注射 吗啉环 修饰的翻译寡核苷酸（ morpholino ， M O ）抑制 smad1/9 的表达，同样检测到了 P GC 细胞数目的显著减少。

鉴于 B MP-S mad 信号参与斑马鱼早期胚胎的背腹分化，且已有报道称胚胎体细胞异常也会引起 P GC s 迁移的异常。 为 了进一步 明确 上述实验结果中 P GC s 细胞数目的减少 是否由 B MP 信号在 PGC s 中的细胞自主性功能 缺失引起的 ， 研究人员 采用 团队早期 建 立的双转基因 CRISPR/Cas9 基因 编辑系统 （ Li e t al., J Cell Biol, 2026 ） ，构建了 PGC s 特异性 smad1/9 条件性敲除模型（ smad1/9 -cKO ），实现了 P GC s 中精准敲除 smad1/9 而不影响 胚胎 体细胞。 利用 Tg ( kop :m Eos3.2 -CAAX-nanos3 3’UTR) 以及 Tg (piwil1:mCherry-CAAX-nanos3 3’UTR) 转基因品系标记 并追踪 P GC s 的发育 ，研究人员发现， P GC s 细胞数目在野生型胚胎中从 shield 时期开始显著增殖，在 1 -4 dpf 维持 不变 。然而， 突变体 P GC s 在 shield 时期后的增殖能力较差，并且在 1 dpf 出现了显著的 P GC s 细胞数目下降，暗示突变体 P GC s 增殖能力不足且存在凋亡 ；此外， P GC s 并未出现异位迁移 。随后， P GC s 活体追踪、 EdU 染色、 Active C aspase -3 染色证实了突变体 P GC s 增殖受阻且出现了明显的凋亡信号。

机制 研 究表明 BMP–Smad1/9 信号 帮助 斑马鱼 PGC s 抵御 DNA 复制 压力 （ replication stress ） 。 P GCs 转录组分析显示， smad1 -cKO PG C s 细胞周期检验点与 DNA 损伤应答相关基因显著上调 ；且生殖质相关基因表达并未发生改变，指示 PGC s 细胞命运决定并不受 B MP-S mad 信号调控。 pChk 1 免疫荧光染色结果显示 ATR–pChk1 信号通路 在突变体 P GC s 中 异常 活跃 ， 研究人员利用 ATR 抑制剂 处理突变体胚胎 可有效挽救突变体胚胎的 PGC s 数量减少 的表型 。 有趣的是， P GC s 转录组分析发现了 参与调控染色质 结构 、 DNA 损伤 修复及细胞 周期 相关基因的剪接 （ splicing ） 出现了异常。免疫共沉淀和胚胎成像结果显示 Smad1 可直接与剪接体核心组分 Snrpb 相互作用 ，这提示 Smad 1/ 9 在斑马鱼 P GC s 中 可能通过调控 mRNA 的剪切 参与 D NA 复制压力 响应及细胞周期与应激的调控 。

综上所述， 该研究系统 揭示 了 BMP–Smad1/9 信号 直接 参与 斑马鱼 PGC s 发育调控 。 B MP- Smad1/9 在 P GC s 中 通过参与 D NA 损伤 应答 A TR 通路的调控 ， 帮助 P GC s 应对早期胚胎发育过程中的 D NA 复制压力，从而维持 P GC s 数目 。 上述结果阐释了 先成模式和诱导模式在分子机制上的共性与差异，加深了对 P GC s 发育的演化调控机制的理解。

清华大学生命科学学院吴小童 副 研究员和 孟安明院士为共同通讯作者 ， 清华大学生命学院博士后 郑涛为 本文 第一作者。 清华大学生命学院 2 02 2 级 博士生李洁 、 2 0 17 级 博士生 李雅琪 （已毕业） 、 博士后 李光远 、 博士后 危子航、 2 0 18 级博士生 张渭莹 （已毕业） ， 广州 实验室 博士后 姜政 ， 北京科技大学 幸岑璨副教授 和硕士研究生 Roshan Shah 也在该课题中做出重要贡献 。感谢中国科学院水生生物研究所孙永华研究员参与该研究的讨论指导。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70624-8

制版人：十一

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