RpS13调控果蝇睾丸生殖干细胞自我更新和分化的机制研究

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目的:生殖细胞肿瘤可以伴随精子发生障碍,是男性不育的重要原因。生殖干细胞的功能异常可导致生殖细胞肿瘤的发生。生殖干细胞的自我更新和分化潜能不仅受其内源性信号的影响,而且经历干细胞微环境的有序调控。模式动物果蝇的睾丸是研究生殖干细胞微环境调控非常理想的模型。核糖体小亚基蛋白RpS13被鉴定为调控果蝇睾丸生殖干细胞自我更新和分化的重要因子,然而,其在生殖干细胞微环境中的具体调控机制尚不明确。本研究旨在探索和讨论RpS13调控果蝇睾丸生殖干细胞自我更新和分化过程的作用机理。方法:(1)利用UAS/GAL4系统介导的RNAi干涉沉默方法,分别使果蝇睾丸的早期生殖细胞(Nos-Gal4)、包囊细胞(Tj-Gal4)和精原细胞(Bam-Gal4)中产生特异性的RpS13功能丧失(Nos>RpS13 RNAi、Tj>RpS13 RNAi和Bam>RpS13 RNAi)。通过雄性果蝇生育率测试观察RpS13是否影响雄性生育力。(2)应用Vasa、1B1、Eya、Zfh1、Fas III标记果蝇睾丸各细胞类型的抗体和PH3标记增殖细胞的抗体对WT野生型果蝇睾丸(对照组)和RpS13 RNAi果蝇睾丸(实验组)进行免疫荧光染色,观察RpS13对果蝇睾丸生殖细胞的自我更新和分化过程的影响和结局。(3)运用小干扰RNA(siRNA)在果蝇胚胎干细胞(S2细胞)中实现RpS13基因表达沉默,使用qRT-PCR检测阴性对照组(NC)和实验组(siRpS13-16和siRpS13-234)中RpS13 m RNA表达水平,验证干涉效率。利用PH3免疫荧光染色检测各组细胞增殖情况,TUNEL染色和流式细胞术检测各组细胞凋亡情况,观察和分析RpS13是否调节S2细胞的增殖和凋亡过程,以此探索RpS13在体外的功能。(4)利用果蝇UAS/GAL4系统和标记蛋白的免疫荧光染色,观察Rho1分别在生殖细胞、体细胞和精原细胞中表达缺失后的睾丸表型是否与RpS13RNAi相似(雄性果蝇生育能力和睾丸功能改变)。(5)利用qRT-PCR检测阴性对照组(NC)和实验组(siRho1-457和siRho1-374)S2细胞中Rho1 m RNA表达水平,验证干涉效率。再分别用PH3免疫荧光染色、TUNEL染色和流式细胞术检测各组细胞增殖与凋亡情况,观察Rho1是否调控S2细胞的生长,其体外功能是否与RpS13相似。(6)利用免疫荧光染色检测果蝇生殖细胞和体细胞中RpS13功能丧失后粘附蛋白Rho1、DE-cad和Arm的表达模式,观察RpS13缺失是否会引起干细胞之间的粘附功能障碍。同时利用免疫荧光染色检测果蝇Rho1功能丧失的情况下DE-cad和Arm的表达模式是否与RpS13 RNAi相似。(7)利用qRT-PCR分别在RpS13和Rho1表达沉默的S2细胞中检测核糖体大亚基(Rp L6、Rp L14、Rp L19、Rp L22、Rp L27和Rp L30)和核糖体小亚基(RpS2、RpS8、RpS9、RpS14a和RpS16)的m RNA表达水平。结果:(1)生育率测试结果显示,与WT果蝇相比,Nos>RpS13 RNAi、Tj>RpS13RNAi和Bam>RpS13 RNAi的雄性果蝇生育能力降低。(2)免疫荧光染色和激光共聚焦显微镜成像结果显示,一方面,果蝇生殖细胞中RpS13表达缺失导致生殖细胞完全丢失和体细胞异常增殖,睾丸形态发生改变;另一方面,体细胞中RpS13功能缺失则导致未分化的生殖细胞堆积和包囊细胞分化受阻,生殖细胞样肿瘤形成;此外,RpS13在精原细胞中的表达缺失也出现精原细胞分化障碍。(3)果蝇S2细胞中RpS13基因沉默导致细胞增殖和凋亡增多。(4)免疫荧光染色和激光共聚焦显微镜成像结果显示,Rho1 RNAi模拟了果蝇睾丸中RpS13 RNAi导致生殖细胞自我更新和分化障碍的表型。(5)果蝇S2细胞中Rho1表达沉默也导致细胞增殖和凋亡增多,完全模拟RpS13调控S2细胞生长的功能。(6)免疫荧光染色结果显示,果蝇睾丸中RpS13功能缺陷导致粘附蛋白Rho1、DE-cad和Arm的表达水平增加;同时,Nos-Gal4和Tj-Gal4驱动的Rho1RNAi果蝇睾丸中Rho1表达水平降低,DE-cad和Arm蛋白的表达出现异位累积。(7)qRT-PCR结果分析显示RpS13和Rho1能够竞争性地调节重要核糖体亚基的m RNA表达水平。结论:我们利用基因遗传操作的方法,研究了核糖体蛋白S13(RpS13)在睾丸和S2细胞中的作用。我们证明RpS13是GSCs自我更新和分化所必需的,并进一步影响了精原细胞的分化,同时,RpS13参与了果蝇S2细胞增殖和凋亡过程的调节。在机制上,我们发现RpS13调节核糖体亚基的表达水平,以及Rho1、DEcad和Arm蛋白的表达模式。此外,果蝇体内和体外实验都证明Rho1模拟了RpS13的表型。这些结果提示我们,RpS13与Rho1相互竞争,并通过募集粘附蛋白DE-cad和Arm来破坏干细胞微环境中的细胞粘附信号,从而导致果蝇睾丸生殖系微环境缺陷。这些发现揭示了RpS13在果蝇睾丸干细胞生态位中介导Rho1信号的新机制,可能为阐明干细胞微环境的调控网络和睾丸生殖细胞肿瘤的发病机制提供新的见解。
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