短链脱氢还原酶(short-chain dehydrogenases/reductases,SDR)超家族包含了视黄醛脱氢酶、羟基类固醇脱氢酶、羰基还原酶、15羟基前列腺素脱氢酶、UDP-葡萄4-糖异构酶以及GDP甘露糖4,6-脱水酶等。SDR家族成员表达于各种组织、器官,参与个体生长、发育、生殖等各个生物学过程。根据隐马尔可夫模型,在人类基因组中已经鉴定了47个SDR亚家族,76个SDR基因。在植物中,如拟南芥、大豆、葡萄等植物中鉴定了49个SDR亚家族,对应着68-315个SDR基因,而在其他物种中还没有进一步的报道。同时关于SDR超家族在生殖过程中的功能研究仅见于一些哺乳动物中,而鱼类中几乎未见报道。为了系统深入的研究SDR超家族成员在鱼类性腺发育及性别决定与分化过程中的潜在作用,我们从基因组水平以及转录组水平对尼罗罗非鱼的SDR家族成员进行了系统分析,并对其部分家族成员在性腺发育中的可能作用进行了探讨。通过同源比对搜索以及转录组数据分析,本研究从尼罗罗非鱼基因组中共分离到119个SDR超家族成员。除此之外,我们还从人类,鸡,非洲爪蟾,斑马鱼,青鳉,腔棘鱼,象鲨,斑点雀鳝,红鳍东方鲀中分别分离了76、77、82、121、99、85、75、82、68个SDR基因。罗非鱼中119个SDR基因可以分为49个亚家族,并且通过序列特征可以将SDR基因分为4类,“经典”、“扩展”、“复杂”和“未赋值”SDR,其中大多数SDR基因属于“经典”SDR,其次为“扩展”SDR。我们发现,大多数SDR基因在鱼类进行了多个旁系基因的复制,如rdh14,dhrs13,hsd17β12,tdh,rdh10和dhrs12这些基因存在3次复制基因;rdh12,cbr1,rdh8基因存在4个复制基因;hpgd基因存在5个复制。有趣的是,我们发现罗非鱼SDR基因复制一般发生在同一条染色体,最为典型的是dhrs11基因,在罗非鱼基因组中LG14上有12个串联重复复制基因,通过系统进化和共线性分析发现,dhrs11在罗非鱼中进行了多次串联型复制。由于鱼类在进化上经历了一次特有的基因组复制,由此我们推断,SDR超家族在罗非鱼中的扩张可能是由某些家族成员的串联型复制以及鱼类特有的基因组复制造成的。对尼罗罗非鱼8个成鱼组织的转录组分析结果表明bdh2,decr1,ndufa9,sccqdha,hsdl2,hsd17β10和qdpra基因属于泛表达基因,即8个组织均有表达。dhrs7a,gale,blverb2高表达于头肾;hsd3β2,hsd17β12b,rdh13,和kdsr高表达于精巢;hsd3β7,hsd17β4,dhrs9a,rdh10b,rdh12a,dhrs7b,bdh1,decr2,hpgd1,spra,sdr39u高表达于卵巢,这些结果暗示上述基因在对应组织的重要作用。通过对孵化后5天、30天、90天、180天尼罗罗非鱼雌、雄性腺共8个转录组数据进行分析,我们发现尼罗罗非鱼119个SDR基因中有113个在性腺被检测到。在5、30、90和180 dah性腺转录组中分别筛选到了25、3、47和30个呈雌、雄性腺差异表达的SDR基因。用原位杂交(ISH)和real-time PCR验证了dhrs11-5、hsd11β2和hsd17β3的表达,结果表明,dhrs11-5在5天时表达量最高,呈现明显的雌雄性腺差异性表达,在雌鱼中的表达远远高于雄鱼。hsd11β2在5天时就开始在性腺中表达,6个月时表达量最高并且雄鱼远高于雌鱼,ISH结果表明hsd11β2表达于6个月精巢的间质细胞;hsd17β3主要表达于头肾,其结果和转录组分析结果一致。转录组数据和实验室早期研究都一致表明,hsd3β1在5天时表现出雌性特异表达,并且表达量逐渐升高,在30d左右达到最高;同时在XY雄鱼性腺中hsd3β1的表达从30d开始逐渐上升,到90d的时候开始下降,直到180d还维持较高的表达水平。hsd3β7在XX雌鱼性腺中的表达从孵化后60天才开始急速上升,在雄鱼中,hsd3β7的表达一直处于较低水平。并且hsd3β基因是鱼类性激素合成途径的关键酶之一。通过CRISPR/Cas9基因敲除技术对hsd3β1基因敲除后发现,对于雄鱼,在4个月时,正常对照组中性腺存在精原细胞、精母细胞、精子细胞等各级生精细胞,而在hsd3β1基因敲除阳性鱼的精巢中只能看见少数精原细胞,并且通过real-time PCR发现减数分裂相关基因显著性下调,预示着hsd3β1的敲除导致了精子发生的延迟。Hsd3β1基因敲除后的雌鱼的卵巢则部分性逆转为精巢或者精卵巢,预示着hsd3β1可能通过性腺类固醇的生成参与罗非鱼的性别决定和性腺的生长,同时也进一步验证了SDR家族基因可能对于鱼类性别决定发挥重要作用。综上所述,我们在尼罗罗非鱼基因组中分离到119个SDR基因,cbr、dhrs11等基因在罗非鱼的基因组中发生了串联型复制。对尼罗罗非鱼8个成鱼组织的转录组分析结果表明,有113个SDR基因在性腺表达,用ISH和real-time PCR验证了dhrs11-5、hsd11β2和hsd17β3的表达,其结果和转录组一致。通过CRISPR/Cas9技术敲除hsd3β1基因导致了雄鱼精子发生延迟,雌鱼性逆转。本研究为全面理解SDR超家族的进化和功能提供了新的视角,为硬骨鱼性别决定、分化及维持的研究提供了候选基因。