生殖是最基本的生命活动之一,也是物种延续的保障。生殖包括性别决定、性腺分化、配子发生、受精等一系列过程。脊椎动物的性腺主要由体细胞和生殖细胞构成,其中生殖细胞是唯一能将遗传信息传递至下一代的细胞。因此,脊椎动物性别决定可分为体细胞性别决定和生殖细胞性别决定两部分。胚胎发育过程中,性腺体细胞性别由遗传因子（性别决定基因）和环境因子（光照,温度,p H等）共同决定。传统观点认为,性腺中生殖细胞根据其所处的体细胞环境获得相应的性别。然而,青鳉（Oryzias latipes）中对foxl3的研究挑战了这一观点,缺失foxl3的XX青鳉生殖细胞在雌性体细胞环境中进行了精子发生,并产生可育的精子。由此提出生殖细胞中存在自主的性别决定机制。然而,尚未解决的重要问题是,缺失foxl3后生殖细胞中的哪些关键基因起始了雌性环境中的精子发生过程?在雌性生殖细胞中与foxl3相拮抗的雄性命运决定基因是什么?已有的研究表明,脊椎动物性腺中保守的转录因子dmrt1和foxl2相互拮抗并分别维持雌雄性别分化和性腺发育过程。尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）中结果表明,敲降dmrt1会导致雄性性腺体细胞雌性化和生殖细胞缺失。敲除foxl2或过表达其显复性突变体导致完全的由雌向雄的性逆转。foxl3是foxl2的一个古老的旁系同源基因,罗非鱼foxl3的功能研究尚未见报道。罗非鱼生殖细胞中相互拮抗的雌雄基因是什么?这个问题还有待进一步的研究。本研究通过转录组测序、蛋白免疫印记（Western blot,WB）、荧光原位杂交（FISH）等方法分析了dmrt1和foxl3在尼罗罗非鱼性腺的表达模式和细胞定位。运用CRISPR/Cas9基因编辑技术分别构建了dmrt1和foxl3单基因突变体,并通过双杂合突变体进一步繁殖获得dmrt1;foxl3双纯合突变体。采用组织学染色（HE）、荧光免疫组化（IF）、荧光原位杂交、real-time PCR等方法,分析了各突变体性腺表型和基因表达情况,并尝试使用外源雌激素（17β-estradiol,E2）和芳香化酶抑制剂（Fadrozole）对突变鱼进行表型回救。最后,利用启动子分析、凝胶迁移（EMSA）和染色质免疫共沉淀（ChIP）等体外实验探究了dmrt1和foxl3之间的相互调控关系。并通过在dmrt1和foxl3突变体中敲降体细胞特异的foxl2,探究了生殖细胞基因和体细胞基因间的上下位关系。具体结果如下:1、尼罗罗非鱼foxl3细胞定位和功能研究。性腺转录组测序结果表明,foxl3在孵化后30天（days after hatching,dah）XX罗非鱼卵巢中表达最高,而不在精巢中表达。荧光原位杂交和生殖细胞标记Vasa共定位结果显示,foxl3 m RNA主要定位于卵巢卵原细胞中,精巢组织中检测不到foxl3的表达。通过CRISPR/Cas9成功突变尼罗罗非鱼foxl3并获得缺失5bp和7bp的两种纯合突变体。组织学检测发现,120 dah天foxl3突变XY鱼精巢发育正常。而foxl3突变XX鱼性腺外形仍像正常卵巢,且存在卵巢的特征结构卵巢腔;但与对照XX鱼不同,foxl3突变XX性腺中不存在卵母细胞而是含有各级生精细胞。这表明foxl3突变导致XX性腺中生殖细胞起始了精子发生。荧光原位杂交和荧光免疫组化结果显示,foxl3突变XX性腺中存在精子细胞（表达Sox30）,而不存在卵母细胞（不表达bmp15和42Sp50）。荧光免疫组化结果显示,突变性腺体细胞中表达雌激素合成的关键酶Cyp19a1a,而不表达雄激素合成酶Cyp11c1。血清激素测定结果表明,foxl3突变XX鱼血清雌激素水平与对照XX雌鱼相比显著降低,但仍然显著高于对照XY雄鱼。与对照XX雌鱼一致,foxl3突变XX鱼血清雄激素（11-ketotestosterone,11-KT）水平很低。表明foxl3突变XX性腺中生殖细胞在雌性化的体细胞环境中进行了精子发生。Real-time PCR结果证实了foxl3突变性腺中体细胞的雌性化环境和生殖细胞中进行的精子发生。值得注意的是,雄性特异基因dmrt1在foxl3突变XX性腺中有显著的升高。另一方面,foxl3的突变不影响XY鱼性腺精子发生过程和育性。2、尼罗罗非鱼dmrt1的表达模式和功能研究。90 dah时,荧光原位杂交结果显示,罗非鱼dmrt1 m RNA定位于精巢中精原细胞、初级精母细胞和支持细胞（Sertoli cell）中,卵巢中没有检测到dmrt1的表达。利用设计的高效CRISPR/Cas9g RNA靶点成功在1号外显子突变尼罗罗非鱼dmrt1,获得缺失2 bp和5 bp的两种纯合突变体。60 dah时组织学检测发现,所有dmrt1突变XY鱼发生了由雄向雌的性逆转,其性腺发育为卵巢。免疫荧光结果表明,dmrt1纯合突变XY鱼性腺中表达雌激素合成酶Cyp19a1a,不表达雄激素合成酶Cyp11c1。成年期dmrt1突变鱼卵子发生正常,性腺中存在有卵黄的卵母细胞。性别决定关键时期4 dah时,免疫荧光结果显示,罗非鱼性别决定基因amhy的表达在XY dmrt1突变性腺不受影响,而另一个重要的dmrt1下游雄性通路基因Gsdf不表达,表明dmrt1突变鱼发生了原发性逆转。孵化后15天时,dmrt1突变XY性腺中可检测到Cyp19a1a的表达。这些结果证实在雄性通路中,dmrt1位于amhy和gsdf之间,也就是说,尼罗罗非鱼雄性通路由amhy-dmrt1-gsdf构成。3、尼罗罗非鱼dmrt1;foxl3双基因突变系的建立及表型分析。利用dmrt1杂合突变XY鱼和foxl3杂合突变XX鱼繁殖获得dmrt1;foxl3双杂合突变XX和XY后代。进一步通过双杂合突变鱼繁殖获得dmrt1;foxl3双纯合突变后代。60 dah时组织学观察发现,dmrt1;foxl3双突变XX鱼性腺生殖细胞发育为卵母细胞,表明dmrt1的缺失回救了XX foxl3突变体生殖细胞性逆转的表型。另一方面,dmrt1;foxl3双突变XY鱼性腺发育为精卵巢,性腺中除卵母细胞外,还存在精母细胞,表明突变foxl3部分回救了XY dmrt1突变体生殖细胞的表型。荧光免疫组化结果显示,双突变性腺中有明显的Cyp19a1a表达。双突变XX/XY鱼血清雌激素水平和对照XX鱼接近。这些结果提示,dmrt1和foxl3在生殖细胞性别命运决定过程中存在相互拮抗的作用。4、尼罗罗非鱼Dmrt1和Foxl3相互调控影响生殖细胞可塑性。Dmrt1和Foxl3双突变鱼生殖细胞性别的相互回救促使我们进一步检测dmrt1在foxl3突变XX性腺中的表达和foxl3在dmrt1突变XY性腺中的表达。RT-PCR、real-time PCR和Western blot结果证实foxl3突变XX性腺中dmrt1在m RNA和蛋白水平显著升高。荧光原位杂交结果显示,dmrt1主要定位于foxl3突变XX性腺中生殖细胞,而不在对照XX卵巢中表达。另一方面,real-time PCR结果显示,dmrt1突变XY性腺中foxl3表达量显著升高。荧光原位杂交结果表明,30 dah时dmrt1突变XY性腺中生殖细胞表达foxl3,而对照XY性腺生殖细胞中不表达foxl3。进一步的调控实验证实,在HEK293细胞中,Dmrt1和Foxl3分别以剂量依赖的方式下调foxl3和dmrt1的启动子活性。删除或突变相应的启动子上结合位点,可以去除两者之间的抑制效果。凝胶迁移和染色质免疫共沉淀实验分析表明,Dmrt1和Foxl3可以在体外直接结合foxl3和dmrt1启动子上相应的结合位点。这些结果表明,Dmrt1和Foxl3通过直接结合对方启动子发挥转录抑制作用。利用外源雌激素处理对foxl3突变鱼进行回救。结果显示,E2处理1个月后foxl3杂合突变XY鱼性腺发育为卵巢,而foxl3突变XX鱼性腺中生殖细胞仍进行精子发生,不能诱导卵母细胞产生。表明foxl3是生殖细胞中雌激素下调dmrt1诱导卵母细胞发育所必须的关键基因。采用芳香化酶抑制剂（Fadrozole,aromatase inhibitor,AI）回救dmrt1突变鱼。结果显示,同批处理的dmrt1杂合突变XX鱼发生性逆转,而处理的dmrt1突变XX/XY鱼性腺仍发育为卵巢。Real-time PCR结果显示,AI处理后dmrt1突变性腺中foxl3表达水平与对照雌鱼接近。这些结果表明,AI诱导的由雌向雄的性逆转依赖于dmrt1的存在。突变foxl3或dmrt1后导致的性逆转不能被雌激素或芳香化酶抑制剂回救,表明生殖细胞的可塑性依赖于这两个基因的存在。不同的是,双突变dmrt1;foxl3后再使用AI处理,双突变XX/XY鱼性腺发育为精巢,性腺中不存在卵母细胞。表明突变foxl3后再抑制雌激素合成,能够回救Dmrt1缺失造成的性逆转。此外,AI处理foxl3突变XX鱼后,其性腺发育为正常精巢。前期研究结果表明,敲降或敲除foxl2会导致XX罗非鱼发生性逆转。AI处理的dmrt1突变性腺仍发育为卵巢,这可能是由于foxl2不能被有效抑制所致。在dmrt1突变鱼中敲降foxl2后,dmrt1;foxl2双突变XX/XY性腺发育为精巢,但生殖细胞数目显著减少,且不能起始精子发生。表明dmrt1对于生殖细胞的存活和精子发生的起始是必需的。综上所述,尼罗罗非鱼dmrt1和foxl3分别表达于精巢和卵巢组织中,体外实验证实二者间存在直接的转录抑制。突变dmrt1或foxl3分别导致由雄向雌和生殖细胞由雌向雄的性逆转。双突变体表型分析证实,dmrrt1和foxl3在尼罗罗非鱼生殖细胞性别命运决定过程中起着相互拮抗的作用。外源雌激素和芳香化酶抑制剂回救实验表明,罗非鱼生殖细胞的可塑性依赖于这两个基因的存在。敲降foxl2后,foxl3和dmrt1单突变性腺都发育为精巢,但缺失dmrt1导致精子发生不能正常起始。本研究解析了尼罗罗非鱼dmrt1和foxl3在雌雄性别分化和生殖细胞性别命运决定过程中的关键功能,揭示了dmrrt1和foxl3通过直接的转录抑制作用相互拮抗,决定生殖细胞性别的分子机制,丰富了我们对脊椎动物性别分化和生殖细胞性别决定的认识。