高分辨率光片三维成像技术解析卵巢细胞图谱并揭示成体生殖干细胞起源

关键词：海星卵巢；单细胞转录组；卵原干细胞

本研究以双腕海星 Patiria miniata 为非脊索后口动物代表，结合单细胞转录组测序与高分辨率三维成像，系统解析了成年卵巢的细胞类型组成、空间排布及卵子发生过程。研究鉴定出卵原干细胞、颗粒样滤泡细胞、膜样滤泡细胞等九类卵巢细胞，绘制了体细胞与生殖细胞之间多条保守信号通路的配受体互作图谱，并提出卵巢内部存在一套独立于中枢神经系统的类下丘脑 — 垂体 — 性腺神经内分泌调控单元。该发现将卵巢核心细胞类型与神经内分泌调控元件的分子起源追溯至后口动物早期分化阶段，为理解生殖系统演化与女性生殖健康提供了新的演化参照。

该文由 Periklis Paganos、Beverly Naigles、Carsten Wolff、Danila Voronov 与 S. Zachary Swartz 完成，题为 "Molecular evidence for early deuterostome origins of ovarian cell types and neuroendocrine control of reproduction"，于 2026 年 6 月 13 日在线发表于 Nature Communications。

重要发现

01

卵巢整体结构的跨尺度三维成像解析

成年海星卵巢呈叶状中空管腔，外层被覆厚层高柱状上皮，游离面生有长运动纤毛，上皮下方分布肌肉纤维与神经丛，再向内延伸至卵巢腔。为在完整器官尺度上解析其结构，研究采用大体积光片荧光显微技术：将卵巢叶块经低熔点琼脂糖包埋后置于毛细管内，从双侧以薄光片照明，配合10× 水浸物镜，光片厚度 5.8 μm，有效照明深度约 12 mm；沿 Z 轴以 72° 间隔采集五个视角的叠层图像，体素分辨率约 0.57×0.57×1.8 μm，接近各向同性。采集完成后通过多视角配准与融合算法将不同视角数据拼合，再经三维重建完成体积分割与表面渲染。成像结果显示，从卵巢表面到腔面依次分布上皮层、肌肉层、滤泡细胞层及处于不同发育阶段的卵母细胞。研究测量了各阶段结构尺寸：生殖细胞巢长约 40 μm、宽约 14 μm，最小初级卵泡直径约 29 μm，年轻卵母细胞直径约 57 μm，成熟卵母细胞直径可达 170 μm。对于亚细胞水平的观察，研究还采用蛋白质保留扩展显微技术，将固定样品经凝胶包埋后各向同性膨胀，以更高分辨率检视生殖细胞巢内部结构；同时使用激光扫描共聚焦与旋转圆盘共聚焦系统，对 F - 肌动蛋白、微管蛋白、DNA 及多种分子标志进行多色荧光成像，定位了滤泡细胞、卵母细胞与神经纤维的空间关系。

小海星（Patiria miniata）卵巢的分子特征

02

单细胞转录组图谱鉴定九类卵巢细胞

在三维成像定位的基础上，研究对三个独立成年个体的卵巢组织进行单细胞转录组测序，共获得35,877 个细胞，经无监督聚类与差异基因分析划分为九个主要类群：上皮细胞、免疫细胞、肌肉细胞、神经元、颗粒样滤泡细胞、滤泡 II 型细胞、膜样滤泡细胞、卵母细胞及生殖细胞巢细胞。为验证聚类结果，研究采用整体原位杂交链反应与荧光原位杂交技术，在组织切片上对各群标志基因进行空间定位：颗粒样滤泡细胞表达 tgfb2、foxl2 等哺乳动物颗粒细胞标志；膜样滤泡细胞富集 Cyp17a1 等类固醇合成相关基因；生殖细胞巢细胞共表达 nanos1、vtg2 等生殖系标志。跨物种比对将海星卵巢图谱与人、小鼠、斑马鱼、海胆及果蝇的对应数据对齐，结果显示海星颗粒样细胞与哺乳动物颗粒细胞、果蝇滤泡细胞及海胆卵泡细胞在转录组水平上显著同源。

小海星（Patiria miniata）成年个体卵巢的细胞类型 / 细胞状态多样性

03

成体卵原干细胞的功能证据

成年海星在整个生命周期内持续产生数以百万计的卵母细胞，提示成体卵巢中存在持续增殖的生殖干细胞。研究通过细胞周期评分发现，生殖细胞巢与早期卵母细胞群富集G1/S 及 G2/M 期标志基因。随后使用 EdU DNA 掺入实验对离体培养的卵巢片段进行标记，证实体细胞与生殖细胞巢中均存在活跃的 DNA 复制事件。双标记成像显示，EdU 阳性信号严格共定位于 piwi1 与 ddx4 阳性的生殖细胞巢细胞，而不在已分化的 ddx4 阳性卵母细胞中出现，表明增殖事件集中于未分化生殖系群体。伪时间轨迹分析将生殖细胞巢至卵母细胞的发育路径重建为连续分化轴：生殖细胞巢高表达 atrx1、cxxc1 等转录调控因子并维持自身更新程序，向卵母细胞过渡时下调这些因子并激活 cycA 等减数分裂相关基因。综合上述证据，研究提出成年海星卵巢中存在一群具有自我更新能力的卵原干细胞，通过生殖细胞巢结构维持生殖系储备。

有丝分裂活跃生殖细胞的鉴定

04

体细胞与生殖细胞间的信号互作网络

研究系统挖掘了配体— 受体基因在各细胞类群中的表达组合，识别出五条参与卵子发生调控的信号通路。视黄酸通路中合成酶与降解酶分别在不同类群中表达，形成区域化分布；Delta/Notch 通路中 Delta 配体由滤泡细胞与肌肉细胞分泌，受体及下游因子在生殖细胞巢与卵母细胞中富集；Tgfβ 通路中 tgfb2 配体由滤泡细胞表达，受体 alk2 与下游 smad5 在生殖细胞巢及卵母细胞中响应；Wnt 通路与 Hedgehog 通路亦呈现有意义的配受体互补分布。为验证 Tgfβ 信号的功能，研究使用 I 型 BMP 受体抑制剂 LDN-193189 处理离体卵巢片段，发现处理组滤泡细胞跨区突起数量显著下降且排列紊乱，而对照组突起呈规则辐射状分布，定量统计显示两组差异具有统计学意义。该实验在功能层面证实体细胞滤泡细胞通过 Tgfβ/BMP 信号直接调控生殖细胞巢的结构组织。

早期卵子发生发育轨迹的重构

05

卵巢内源性神经内分泌系统的发现

研究在卵巢组织中鉴定出一类表达神经递质合成酶的神经元样细胞，涵盖5 - 羟色胺、多巴胺、组胺、胆碱能及 GABA 能等多种表型。促性腺激素释放激素 gnrh、催产素 / 加压素同源基因 oxy/vp、促乳素释放肽 prrp、kisspeptin 同源基因 kpp、促黄体生成素释放肽 lqp 等神经肽及其受体均在卵巢局部表达。原位杂交显示 gnrh 阳性神经元样细胞紧邻生殖细胞巢分布，其受体 gnrhr 在生殖细胞巢细胞上表达；5 - 羟色胺免疫染色显示神经纤维穿行于滤泡细胞与卵母细胞之间。跨物种比对进一步发现，海星卵巢内 gnrh 阳性神经元与哺乳动物垂体促性腺激素细胞在转录组特征上具有对齐关系。基于这些证据，研究提出卵巢内部存在一套不依赖中枢神经系统的类下丘脑 — 垂体 — 性腺调控单元，由卵巢局部神经元分泌神经肽、直接作用于生殖细胞巢以调控卵子发生。

参与卵巢细胞类型间交互的潜在信号通路

小海星（Patiria miniata）卵巢固有神经系统的神经肽表达特征

创新与亮点

该研究突破的核心难题在于：哺乳动物成体卵巢被认为不具备持续更新卵母细胞的能力，而后口动物卵巢细胞类型的分子演化起源长期缺乏直接证据。研究首次在非脊索后口动物中，以单细胞分辨率同步绘制了卵巢细胞图谱与三维空间结构，并以EdU 掺入及药理抑制实验提供了成体卵原干细胞存在的功能证据。方法学上，其将大体积光片三维成像、单细胞转录组测序与扩展显微技术相结合，使半透明卵巢在保持整体结构完整的前提下完成了从器官尺度到亚细胞尺度的跨尺度解析。在生物医学层面，该发现为理解卵巢早衰、生殖老化及体外卵子发生提供了演化参照系，其揭示的卵巢内源性神经内分泌调控路径也为女性生殖健康干预提示了新的潜在靶点。

总结与展望

研究以海星为模型，证实后口动物共同祖先已具备颗粒细胞、膜细胞及神经内分泌调控元件等卵巢核心功能模块，成体卵巢中存在持续增殖的卵原干细胞。未来研究需在活体条件下追踪卵原干细胞的谱系命运，并在其他后口动物中验证卵巢内源性神经内分泌系统的保守性，为理解生殖衰老与生育力维持提供演化发育视角。

论文信息

声明：本文仅用作学术目的。 

Paganos, P., Naigles, B., Wolff, C. et al. Molecular evidence for early deuterostome origins of ovarian cell types and neuroendocrine control of reproduction. Nat Commun 17, 7516 (2026). 

doi:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74401-5