“胜者为王”的受精游戏:卵子可能主动选择某些精子
  • 叶倾城
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  • 2017年12月04日 17:37
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目前,最新一项研究挑战了最古老的遗传学定律。在“胜者为王”的受精游戏中,数百万精子竞争朝向卵子游动,卵子则在终点线上等待着。事实上,很多精子甚至都没有资格到起跑线上,因为它们存在尾部畸形等缺陷,还有一些精子缺少足够的能量,无法完成漫长的旅途,穿过女性生殖系统,或者它们会粘附在粘滞的液体上,这意味着除了最强的游泳者之外,其它精子都会半途而废。

对于能够获得奖杯的精子获胜者,取决于它们最后的冲刺。精子的身份是随机的,卵子一直被动等待着,直到最强精子最终抵达。

太平洋西北研究所首席科学家乔伊·纳多(Joe Nadeau)正在挑战这一教条理论,随机受精应当导致后代基因组合的特定比例,但是纳多从他的实验室里发现两个例子,结果表明卵子受精远非随机:某些配对基因比其它基因更有可能。

在排除了明显替代解释之后,他得出唯一结论——卵子受精并非完全随机。

纳多说:“这是一种相当于选择伴侣的配子。”他的假设是这样的,卵子使用特定的基因吸引精子,同时反之亦然,生物学已逐渐认识到,卵子并非顺从、温顺的细胞,它们在繁殖方面具有积极作用,人们可以在生命最重要的进程中添加进化控制和选择。

美国乔治·华盛顿大学进化生物学家莫莉·马尼尔(Mollie Manier)说:“女性生殖解剖更加神秘,并且很难进行研究,但是人们对女性受精过程中的认知越来越多。”

“胜者为王”的受精游戏:卵子可能主动选择某些精子

性选择理论像达尔文提供的进化论一样久远,在物种起源方面,马尼尔指出,孔雀开屏和麋鹿的巨大鹿角就是这些特征实例,将有助于呈现雄性向雌性展示自己的吸引力。

在未来一个世纪,生物学家将注意力集中在性选择的各个方面,这些方面可能是在交配前的活动中进行。交配之后,雌性将做出它的选择,唯一的竞争就是精子努力游向卵子。

1991年,美国纽约大学人类学家埃米莉·马丁(Emily Martin)在一篇论文中指出,这种以雄性为主导的雌性生殖生物学观点在很大程度上是被人们接受的。卵子较大并且被动,它们不会移动,而是沿着输卵管被动地“被搬运”。与其形成鲜明的对比是,精子体积小,呈“流线型”,而且总是处于活跃状态。

史密森尼热带研究所行为生态学家威廉·埃伯哈德(William Eberhard)称,卵子和精液能够做到一些令人难以置信的事情,上世纪70年代开始,科学界开始剥离这种传统理论观点。

依据动物交配之后雌性影响它们卵子受精的所有方式,虽然这是一个庞大的数据资料,但是科学家仍不能确定是否他们进行了完全记录。这些发现不全是受雄性至上主义影响,人们很容易观察到两只海象用尖牙进行决斗,而在雌性生殖系统中精子玩捉迷藏的游戏却很少发现。

意大利帕多瓦大学进化生物学家安德里亚·皮拉斯特罗(Andrea Pilastro)解释称,有了卵子和精子,你就有了性选择,卵子和精子有许多令人难以置信的事情。

在那些体外受精的物种中,雌性的卵子通常覆盖着厚厚的富含蛋白质卵巢液。2013年,英国东安格利亚大学马修·盖奇(Matthew Gage)实验表明,包含化学信号的卵巢液有助于吸引正确类型的精子。当他们将鲑鱼和鳟鱼的卵子与这两种鱼类的精子混合在一起,卵子所属物种成功受精率达到70%,其成功率远远超出了预期。

盖奇说:“这种精子在不同卵巢液中各有差异,实际上它们在卵巢液中是径直游动。”体内受精有其独特的方法,埃伯哈德称其为“神秘雌性选择”。

一些雌性生殖系统非常复杂,完全有可能出现错误开始和死亡终结,这些因素可能阻碍除最强精子之外的所有精子。

一些雌性动物,包括许多爬行动物、鱼类、鸟类和两栖动物,它们可能不止一个雄性交配对象(生物学家认为绝大多数物种都是这样),雌性体内可存储精液几个月,甚至几年时间,改变存储环境将增大存储喜欢的某个雄性伴侣精液的可能性。

许多雌性鸟类,其中包括:家禽,它们交配之后射精,这将导致它们对最偏爱的雄性进行受精。

然而,所有这些策略都是为雌性提供选择不同雄性精子的机会,接触精子的卵子仍有概率再次受精。

事实上,卵子受精的随机性是“分离定律”中的一种暗示,分离定律是遗传学第一定律,是由奥地利遗传学家格里哥·孟德尔(Gregor Mendel)提出的。

父母携带各自两种基因副本,将随机分离成为仅携带一个副本的配子。这导致了学生在高中生物课中学习的诸多可能性,如果父母是杂合子(heterozygotes)——他们携带两个不同版本的相同基因,那么他们子女出现杂合子的概率为50%,他们子女携带两个不同版本的相同基因概率为25%,另外25%的概率是与其它基因的杂合子。

纳多说:“这是生物学领域最广泛的适用法则。”

然而,这种可能性仅在受精随机性的情况下发生,如果卵子或者精子在某种程度上影响受精过程其它配子的身份,那么受精概率将迥然不同。

这项显著差异表现在2005年纳多的研究观察,当时,他开始研究老鼠身上两种特殊基因的遗传特性,之后发现它们随机受精的可能性完全消失

。在纳多的西雅图实验室里,他开始怀疑孟德尔的分离定律是否错误。

纳多并未着手置疑孟尔德的分离定律,相反,他希望知道两种基因(Apobec1 和Dnd1)之间的交互性如何影响患睾丸癌的风险,这是最可能遗传的一种癌症。

当纳多和他的博士生詹尼弗·泽彻尔(Jennifer Zechel)培育携带一只雌鼠,该雌鼠具有一个正常和一个变异的Dnd1副本,并与Apobec1杂合子的雄鼠进行交配,所有事情都遵循着孟德尔分离定律,到目前为止,它们一切情况正常。

但是在实验中对它们进行逆向培育(雌鼠具有Apobec1杂合子,与具有Dnd1杂合子的雄鼠进行交配),事情就变得奇怪了,他们发现仅有27%的后代具有突变Dnd1,突变Apobec1,或者同时具有Dnd1和Apobec1,而他们的预期概率为75%。

作为一名用几十年时间研究遗传基因的研究人员,纳多意识到存在许多因素能够影响卵子受精随机性概率。如果一个受精卵子最终是一个隐性基因的两个突变副本,这种胚胎可能在发育早期死亡。像这样的胚胎致死变异将影响纯合子(homozygotes)转变为杂合子的概率,但同时也会减少每窝幼鼠的平均数量。

然而,纳多和詹尼弗培育的幼鼠都有标准的产仔数量,他们并未发现受精之后早期夭折的老鼠胚胎。

纳多推断称,或许问题在于精子,而不是卵子。因此,他进行了新的实验,将具有突变和没有突变的雄鼠与健康无突变雌鼠进行交配,发现两种情况下雄鼠的受精情况没有什么差异,如果突变影响了精子的形成,那么它们就变得非常明显。

逐步地,纳多和研究小组排除了导致后代基因不稳定性的每一种可能性,除了一种:在受精过程中,卵子和精子对突变基因具有偏向性选择。

纳多认为,一些人应当观察到这一点。因此他搜寻了大量科学文献。虽然他可以发现许多无法解释后代受精随机性比率的实例,但是没有一个实例是以追溯基因偏向型受精作为答案。

纳多说:“我不认为我们仍不清楚卵子受精随机性的普遍性,以及它们如何经常会出现。每个人仅是将其解释为胚胎致死,因为我们所看到和探寻的都是基于我们已掌握的知识。”

纳多的一个研究实例来自于加拿大阿尔伯塔大学癌症研究员罗斯琳·戈德布特(Roseline Godbout)的实验数据,罗斯琳研究了眼癌形成过程中DDX1蛋白质起到的作用,眼癌是一种较高遗传性的幼年期癌症。

体内缺少一个DDX1基因功能副本的老鼠看上去正常健康,当戈德布特和奥地利马克斯·佩鲁茨实验室博士后研究员德文·热尔曼(Devon Germain)培育了雄性和雌性杂合子,他们发现没有后代缺少DDX1副本,即使简单的孟德尔法则暗示应当具有25%缺少DDX1副本的概率。

考虑到基因对于DNA复制的重要性,这项结果并不令人吃惊:没有DDX1蛋白质的纯合子后代胚胎很容易死亡。罗斯琳和热尔曼还发现,两个DDX1蛋白质副本的纯合子后代出现概率远低于预期。一系列复杂的交配实验使科学家提议称,在他们的实验中,源自罕见突变的研究结果与DDX1基因密切相关。

纳多对此并不信服,他问询罗斯琳是如何在实验室验证没有DDX1基因纯合子将在胚胎期死亡,但是罗斯琳并未提出相关验证证据。同时,纳多还问询了是否他们考虑过基因偏向型受精,在该情况下卵子更倾向于具有逆向DDX1基因型精子进行融合。

热尔曼回忆称,我们真的认为这仅是一种奇怪的遗传模式,我们并未考虑过随机受精。后来热尔曼突发奇想,决定重新评估他实验中的所有原始数据,当他查看数据时,想起了纳多电子邮件中提示的问题,随后对该问题涉及的数据进行分析,发现基因偏向型受精可能是“最靠谱的解释”。

纳多说:“我们被我们的偏见所蒙蔽,这是一种以不同思考方式,分析受精过程中的不同影响。”

乔治·华盛顿大学进化生物学家莫莉·马尼尔等其他科学家表示,纳多的假设非常有趣,并且貌似合理,但是没有人有任何证据表明这是如何发生的。

纳多对此观点表示同意,他说:“在受精过程中,雌性会有既得利益,存在维生素B的新陈代谢,例如:叶酸,它是精子和卵子形成的重要信息分子。我们实验表明,这些分子在受精过程中发挥了巨大作用,并且某些信息基因的异常可能会改变精子和卵子之间的相互吸引。”


文章出处:新浪科技

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