精子也会被卵细胞竟主动选择?

文章作者:bianji3 | 2017-11-29
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    生命总是一个优胜劣汰的过程,在精子与卵子结合之前,就已经要面临上亿的精子的竞争。可以说,每个人都曾经是那场争夺战的胜利者,而那些生命力较弱的精子,则是死于各种原因,根本无缘面世。

       洞房之中,精子的新娘、圆滚滚胖乎乎的卵子姑娘可能已经含羞带怯等待一段时间了。但是,和尘世间的女人不同,卵子姑娘的原则性极强,最多等24小时,谁要是放她鸽子,她绝对是二话不说扭头就走。卵子只有一个目的:等待与生命力最旺盛、携带基因最为优良的精子结合,顺利成长为生命力强悍的个体,将传宗接代和物种进化这件事进行到底。

      经典的遗传学理论说配子是随机结合的,但有试验显示,卵细胞有时会主动选择精子,以获取其遗传物质。

  在受精这个“赢家通吃”的游戏中,数百万计的精子游向在终点线等待的卵细胞。很多精子由于缺少尾部或尾部畸形等缺陷甚至直接输在了起跑线。一些精子可能没有足够的能量去穿越漫长的女性生殖道,还有些精子会被困在生殖道分泌的粘性液体中。这意味着除了最强的游泳健将之外,其他所有精子都会被阻碍。在能够成功接近卵细胞的选手中,唯一的获胜者将由最后的冲刺阶段决定。因此,几乎所有科学家都认为,胜出的精子是随机的;卵细胞一直在被动的等待,直到精子中的菲尔普斯到达终点。

  西北太平洋国家实验室的主任研究员Joe Nadeau对此“教条”发起了挑战。若受精是随机的,那么后代的基因组合应呈现特定比例,但在自己实验室的两个例子中,Nadeau发现一些基因配对组合出现的概率比其他组合高的多,表明受精远非随机。在排除了其他可能解释后,他只能得出结论:受精并不是随机的

  Nadeau说:“这等同于配子在选择它的伴侣”。

  他提出假设:卵细胞可以用特定的基因吸引精子,反之亦然。同时生物学家们也渐渐认识到,卵细胞并不是长久以来大家认为的顺从、被动的细胞,相反,研究人员认为卵细胞在生殖过程中是与精子平等的、活跃的参与者,它在生命最重要的过程中增加了演化控制和选择的程度。

  来自乔治华盛顿大学的演化生物学家Mollie Manier说:“女性生殖系统的解剖学更加神秘、很难研究,但人们对女性在受精过程中的角色的认识正变得更加深入”。

  细胞层面的性选择

  性选择的概念可以追溯到达尔文本人。在《物种起源》中,他用孔雀艳丽的尾巴和麋鹿的巨大鹿角作为例子,阐明物种会演化出特定的特征,来帮助雄性吸引雌性。在接下来的一个世纪里,生物学家将注意力放在交配前性选择的各个方面。交配一旦进行,雌性就已经作出了她们的选择,之后就是精子们的竞赛了。

  来自纽约大学的人类学家Emily Martin在1991年的一篇论文中指出,这种男性主导的女性生殖生物学观点是被普遍接受的。她写道,“人们认为卵细胞是大而被动的,它不运动,只是被动地沿着输卵管游走。精子与之形成鲜明对比,它们小、呈流线型,而且总是充满活力。”

  然而从上个世纪70年代开始,一些科学发现开始削弱这个刻板印象。William Eberhard是 史密森热带研究所的一名行为生态学家,他记录了雌性动物在交配后,是如何通过多种方式影响卵细胞受精的。这个名单很长,而且科学家还不确定这是否就是全部。但这些迟来的发现并不是由于性别歧视。毕竟两只海象用它们的象牙决斗很容易观察,而观察女性生殖道中卵细胞的“躲猫猫”游戏则难得多。

扫描电镜图中显示了人类的受精时刻。曾经人们将受精过程中的卵细胞描绘成被动的,但新的发现表明,卵细胞可能会筛掉基因不合适的精子。  扫描电镜图中显示了人类的受精时刻。曾经人们将受精过程中的卵细胞描绘成被动的,但新的发现表明,卵细胞可能会筛掉基因不合适的精子。

  在那些体外受精的物种中,雌性通常会用厚厚的富含蛋白质的覆盖它们的卵细胞。2013年英国东安格利亚大学的Matthew Gage通过试验表明,这些卵巢液中含有的化学信号有助于卵细胞吸引正确的精子。当他们将鲑鱼和鳟鱼的卵细胞混合后,暴露于其精子的混合液中,发现70%的卵细胞可以与同物种的精子成功结合,远超预期几率。

  Gage说道,“精子在不同液体环境中表现不同。事实上,它们在自己的液体中游得更直”。

  体内受精的动物有它们自己的办法,Eberhard称之为“神秘的女性选择”。一些女性的生殖道错综复杂,能够成功阻拦最强精子以外的所有精子。一些雌性动物可以与不止一个雄性交配(生物学家估计大多数物种都是这样),包括许多爬行动物、鱼类、鸟类和两栖动物,雌性可以储存精子数月甚至数年,通过改变储存环境筛选精子。许多雌鸟,包括家禽,可以在交配后排出精子,从而选择自己最青睐的雄性。

Joe NadeauJoe Nadeau

  然而,所有这些策略都只是为女性选择男性精子提供机会。在一次射精中,哪个精子可以最终与卵细胞结合看上去仍然是随机的。

  事实上,受精的随机性是隐含在孟德尔遗传第一定律,也就是分离定律里的。控制同一性状的遗传因子成对存在,在配子形成时分开,分别进入一个配子细胞中去,这导致了后代的多种可能性。如果父母双方都是杂合子---指其携带的一个基因存在有两个版本,那么50%的后代是杂合子,25%的后代是携带其中一个版本的纯合子,剩下的25%是携带有另一版本的纯合子。

  Nadeau说,“这是生物学中最广泛适用的规则之一“。

  然而,这些可能性建立的前提是受精是随机的。如果卵细胞或精子可以在受精过程中影响了其他配子,那么这些比率将会大不相同。这一惊人的差异在2005年引起了Nadeau的关注,当他开始研究小鼠身上两种特殊基因的遗传规律时发现了例外。在西雅图的实验室里,Nadeau开始怀疑:难道是孟德尔错了吗?

  孟德尔定律的推翻者

  Nadeau起初是想知道这两个基因(Apobec1和Dnd1)是如何相互作用从而影响睾丸癌(遗传几率很高的一种癌症)的患病风险的。当Nadeau和他的博士生Jennifer Zechel将携带一条突变Dnd1基因的雌性杂合子与Apobec1杂合的雄性交配时,后代似乎全部符合孟德尔定律。但当他们反向交配时(Apobec1杂合雌性与Dnd1杂合雄性交配),结果变得很奇怪:携带Apobec1突变基因、Dnd1突变基因或二者都有的后代仅占27%,但这一数值在理论上应该是75%

  作为一名在遗传学领域工作了几十年的研究人员,Nadeau知道许多可以影响孟德尔遗传性状比例的因素。如果受精卵最终得到了两个突变的隐性基因,那么胚胎在早期发育中可能死亡,这种胚胎致死性突变会影响纯合子和杂合子的比例,同时也会减少每窝的幼鼠数量。然而,这次试验中Zechel和Nadeau观测的小鼠后代数量正常,也没有发现受精后胚胎死亡的证据。

  Nadeau认为,或许问题出在精子身上,而非卵细胞。因此他将不带有突变的健康雌鼠分别与携带突变、不带有突变的雄鼠交配,但未发现雄鼠的生育能力有任何差异(若突变影响精子产生,生育能力就会有明显差异)。随后Nadeau和他的团队排除了所有可能导致后代基因型比率改变的原因。那么可能性就只剩下了一种:在受精过程中,卵细胞和精子对于突变基因型是有基因偏向性的

  Nadeau认为肯定有人已经发现了这点,于是他开始检索科学文献。尽管他可以找到很多无法解释后代比率的例子,但没有人深入研究过“基因偏向”受精的机制。

  Nadeau说,“每个人都把它归因于胚胎致死,这是因为我们先入为主地进行了观察和解读”。

  在Nadeau发现的例子中,有一个来自于阿尔伯塔大学癌症研究员Roseline Godbout实验室。Godbout研究一种名为DDX1的蛋白在视网膜母细胞瘤发展中的作用(一种高度遗传的儿童期肿瘤疾病)。缺少一个功能性DDX1基因的小鼠看起来是正常且健康的,Godbout和维也纳Max F.Perutz实验室的博后Devon Germain将这样的杂合子进行繁育,发现后代中没有一个是缺失两条功能性DDX1的,但根据孟德尔定律应该有25%。DDX1在DNA复制中的十分重要,所以缺少DDX1的纯合子可能会在怀孕后死亡,从而导致了这一现象。Godbout和German同时发现,功能性DDX1纯合子的后代数量也低于预期。通过一系列复杂的交配试验,科学家提出,这样的结果可能由于DDX1在实验中发生了一种罕见突变。

Devon Germain,现任Max F。 Perutz实验室博士后研究员,当与阿尔伯特大学Roseline Godbout合作时,他观察到一个疑似受精期间基因偏向性的案例。  Devon Germain,现任Max F。 Perutz实验室博士后研究员,当与阿尔伯特大学Roseline Godbout合作时,他观察到一个疑似受精期间基因偏向性的案例。

  Nadeau对此解释并不信服。他向Godbout询问对方是如何验证缺少DDX1的纯合子在胚胎期死亡的,结果他们并没有验证。他同时询问他们是否考虑到受精过程中基因的偏向性,也就是说,卵细胞倾向于与携带另一种DDX1基因型的精子结合。

  Germain回忆说,“我们真的认为这只是一种奇怪的遗传模式,我们从未考虑非随机受精”。

  后来,Germain突发奇想,决定回顾试验中所有的原始数据。当他查看结果时,他想起了Godbout的问题。他说,他对这些数据研究的越多,就越认为基因偏向受精是“最可信的解释”。

  令Nadeau失望的是,很少有科学家用基因偏向受精来解释他们的试验结果。他在文章《配子也能求爱吗?》(Can Gametes Woo)中提出了他的假设,这篇文章发表在10月的《遗传学》(Genetics)上。他说,他的目标是促进更多此领域的研究,并确定卵细胞和精子间是否存在可以影响受精结果的相互作用,以及这些相互作用的机制。

  “我们被先入为主了”,Nadeau说,“这是一种不同的思考方式,对受精过程有非常不同的影响”。

乔治华盛顿大学的演化生物学家Mollie Manier指出,女性在生殖中的角色比大家认为的更加活跃。然而,她对卵细胞选择精子的证据仍持谨慎态度。  乔治华盛顿大学的演化生物学家Mollie Manier指出,女性在生殖中的角色比大家认为的更加活跃。然而,她对卵细胞选择精子的证据仍持谨慎态度。

  其他科学家,比如乔治华盛顿大学的Manier说Nadeau的假设很有趣、也有可能成立,但他们指出,没有任何证据解释它是如何发生的。Nadeau同意这种观点并提出两种可能性

  第一个假设涉及维生素B的代谢,例如叶酸是精子与卵细胞重要信号分子的合成原料。Nadeau实验室的研究表明,这些分子在受精过程中发挥了重要作用,他认为一些信号基因的异常可能会影响精子和卵细胞的相互吸引。

  另一个猜想是竞争假说,它基于一个事实,即在次级卵母细胞第二次减数分裂产生卵细胞前,精子通常就在女性生殖道中出现了。精子产生的信号可能会影响次级卵母细胞分裂,并导致卵细胞产生偏向性。

      无论其中的机制是什么,这项工作都挑战了“女性在受精过程中是被动的”这一标准观点。“女性在受精过程中被认为是被动的、没有选择的,但女性会在受精结果中获利”西澳大利亚大学的进化生物学家Renee Firman说,“我们还要走很长的路才能理解这一过程,但我们并没有真正了解这一过程的普遍性以及它发生的频率”。

  Manier说,找到证据支持或驳斥这一假设可能是一个挑战,因为必须得证明精子内的基因会影响它们的表面分子,而卵细胞能感知这些差异。要想得到这些结果需要对单个精子细胞进行详细的生化研究,并对它们的基因组进行测序。

  面对质疑,Nadeau已经做好了准备。在各种会议上展示自己的研究成果之后,他通常会遭遇批评者的各种各样的问题。他们是否被说服还不得而知,但Nadeau觉得这些人之前的观念已经多少产生了一些松动。“如果你已经排除了不可能的,那么剩下的,无论多么不可能,都必须是事实”,他打趣道。

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