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颠覆孟德尔定律:卵细胞也会主动选择精子?

2018-04-03 01:36

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  受精这个“赢家通吃”的游戏中,数百万计的精子游向在起点线期待的卵细胞。良多精子因为贫乏尾部或尾部正常等缺陷以至间接输在了起跑线。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排泄的粘性液体中。这意味着除了最强的泅水健将之外,其他所有精子城市被障碍。在可以或许成功接近卵细胞的选手中,独一的获胜者将由最初的冲刺阶段决定。因而,几乎所有科学家都认为,胜出的精子是随机的;卵细胞不断在被动的期待,直到精子中的菲尔普斯达到起点。西北承平洋国度尝试室的主任研究员Joe Nadeau对此“教条”倡议了挑战。若受精是随机的,那么儿女的基因组合应呈现特定比例,但在本人尝试室的两个例子中,Nadeau发觉一些基因配对组合呈现的概率比其他组合高的多,表白受精远非随机。在解除了其他可能注释后,他只能得出结论:受精并不是随机的。他提出假设:卵细胞能够用特定的基因吸引精子,反之亦然。同时生物学家们也慢慢认识到,卵细胞并不是长久以来大师认为的驯服、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,它在生命最主要的过程中添加了演化节制和选择的程度。来自乔治华盛顿大学的演化生物学家Mollie Manier说:“女性生殖系统的剖解学愈加奥秘、很难研究,但人们对女性在受精过程中的脚色的认识正变得愈加深切”。性选择的概念能够追溯达到尔文本人。在《物种发源》中,他用孔雀艳丽的尾巴和麋鹿的庞大鹿角作为例子,阐明物种会演化出特定的特征,来协助雄性吸引雌性。在接下来的一个世纪里,生物学家将留意力放在交配前性选择的各个方面。交配一旦进行,雌性就曾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概念是被遍及接管的。她写道,“人们认为卵细胞是大而被动的,它不活动,只是被动地沿着输卵管游走。精子与之构成明显对比,它们小、呈流线型,并且老是充满活力。”然而从上个世纪70年代起头,一些科学发觉起头减弱这个刻板印象。William Eberhard是 史密森热带研究所的一名行为生态学家,他记实了雌性动物在交配后,是若何通过多种体例影响卵细胞受精的。这个名单很长,并且科学家还不确定这能否就是全数。但这些迟来的发觉并不是因为性别蔑视。终究两只海象用它们的象牙决斗很容易察看,而察看女性生殖道中卵细胞的“躲猫猫”游戏则罕见多。扫描电镜图中显示了人类的受精时辰。已经人们将受精过程中的卵细胞描画成被动的,但新的发觉表白,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,雌性凡是会用厚厚的富含卵白质的笼盖它们的卵细胞。2013年英国东安格利亚大学的Matthew Gage通过试验表白,这些卵巢液中含有的化学信号有助于卵细胞吸引准确的精子。当他们将鲑鱼和鳟鱼的卵细胞夹杂后,表露于其精子的夹杂液中,发觉70%的卵细胞能够与同物种的精子成功连系,远超预期几率。体内受精的动物有它们本人的法子,Eberhard称之为“奥秘的女性选择”。一些女性的生殖道错综复杂,可以或许成功阻拦最强精子以外的所有精子。一些雌性动物能够与不止一个雄性交配(生物学家估量大大都物种都是如许),包罗很多爬步履物、鱼类、鸟类和两栖动物,雌性能够储存精子数月以至数年,通过改变储存情况筛选精子。很多雌鸟,包罗家禽,能够在交配后排出精子,从而选择本人最青睐的雄性。然而,所有这些策略都只是为女性选择男性精子供给机遇。在一次中,哪个精子能够最终与卵细胞连系看上去仍然是随机的。现实上,受精的随机性是隐含在孟德尔遗传第必然律,也就是分手定律里的。节制统一性状的遗传因子成对具有,在配子构成时分隔,别离进入一个配子细胞中去,这导致了儿女的多种可能性。若是父母两边都是杂合子---指其照顾的一个基因具有有两个版本,那么50%的儿女是杂合子,25%的儿女是照顾此中一个版本的纯合子,剩下的25%是照顾有另一版本的纯合子。然而,这些可能性成立的前提是受精是随机的。若是卵细胞或精子能够在受精过程中影响了其他配子,那么这些比率将会大不不异。这一惊人的差别在2005年惹起了Nadeau的关心,当他起头研究小鼠身上两种特殊基因的遗传纪律时发觉了破例。在西雅图的尝试室里,Nadeau起头思疑:莫非是孟德尔错了吗?Nadeau开初是想晓得这两个基因(Apobec1和Dnd1)是若何彼此感化从而影响睾丸癌(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将照顾一条突变Dnd1基因的雌性杂合子与Apobec1杂合的雄性交配时,儿女似乎全数合适孟德尔定律。但当他们反向交配时(Apobec1杂合雌性与Dnd1杂合雄性交配),成果变得很奇异:照顾Apobec1突变基因、Dnd1突变基因或二者都有的儿女仅占27%,但这一数值在理论上该当是75%。作为一名在遗传学范畴工作了几十年的研究人员,Nadeau晓得很多能够影响孟德尔遗传性状比例的要素。若是受精卵最终获得了两个突变的隐性基因,那么胚胎在晚期发育中可能灭亡,这种胚胎致死性突变会影响纯合子和杂合子的比例,同时也会削减每窝的幼鼠数量。然而,此次试验中Zechel和Nadeau观测的小鼠儿女数量一般,也没有发觉受精后胚胎灭亡的证据。Nadeau认为,大概问题出在精子身上,而非卵细胞。因而他将不带有突变的健康雌鼠别离与照顾突变、不带有突变的雄鼠交配,但未发觉雄鼠的生育能力有任何差别(若突变影响精子发生,生育能力就会有较着差别)。随后Nadeau和他的团队解除了所有可能导致儿女基因型比率改变的缘由。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方向性的。Nadeau认为必定有人曾经发觉了这点,于是他起头检索科学文献。虽然他能够找到良多无法注释儿女比率的例子,但没有人深切研究过“基因方向”受精的机制。在Nadeau发觉的例子中,有一个来自于阿尔伯塔大学癌症研究员Roseline Godbout尝试室。Godbout研究一种名为DDX1的卵白在视网膜母细胞瘤成长中的感化(一种高度遗传的儿童期肿瘤疾病)。贫乏一个功能性DDX1基因的小鼠看起来是一般且健康的,Godbout和维也纳Max F.Perutz尝试室的博后Devon Germain将如许的杂合子进行繁育,发觉儿女中没有一个是缺失两条功能性DDX1的,但按照孟德尔定律该当有25%。DDX1在DNA复制中的十分主要,所以贫乏DDX1的纯合子可能会在怀孕后灭亡,从而导致了这一现象。Godbout和German同时发觉,功能性DDX1纯合子的儿女数量也低于预期。通过一系列复杂的交配试验,科学家提出,如许的成果可能因为DDX1在尝试中发生了一种稀有突变。Nadeau对此注释并不信服。他向Godbout扣问对方是若何验证贫乏DDX1的纯合子在胚胎期灭亡的,成果他们并没有验证。他同时扣问他们能否考虑到受精过程中基因的方向性,也就是说,卵细胞倾向于与照顾另一种DDX1基因型的精子连系。后来,Germain突发奇想,决定回首试验中所有的原始数据。当他查看成果时,他想起了Godbout的问题。他说,他对这些数据研究的越多,就越认为基因方向受精是“最可托的注释”。令Nadeau失望的是,很少有科学家用基因方向受精来注释他们的试验成果。他在文章《配子也能求爱吗?》(Can Gametes Woo)中提出了他的假设,这篇文章颁发在10月的《遗传学》(Genetics)上。他说,他的方针是推进更多此范畴的研究,并确定卵细胞和精子间能否具有能够影响受精成果的彼此感化,以及这些彼此感化的机制。“我们被先入为主了”,Nadeau说,“这是一种分歧的思虑体例,对受精过程有很是分歧的影响”。乔治华盛顿大学的演化生物学家Mollie Manier指出,女性在生殖中的脚色比大师认为的愈加活跃。然而,她对卵细胞选择精子的证据仍持隆重立场。其他科学家,好比乔治华盛顿大学的Manier说Nadeau的假设很风趣、也有可能成立,但他们指出,没有任何证据注释它是若何发生的。Nadeau同意这种概念并提出两种可能性。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主要信号分子的合成原料。Nadeau尝试室的研究表白,这些分子在受精过程中阐扬了主要感化,他认为一些信号基因的非常可能会影响精子和卵细胞的彼此吸引。另一个猜想是合作假说,它基于一个现实,即在次级卵母细胞第二次减数割裂发生卵细胞前,精子凡是就在女性生殖道中呈现了。精子发生的信号可能会影响次级卵母细胞割裂,并导致卵细胞发生方向性。无论此中的机制是什么,这项工作都挑战了“女性在受精过程中是被动的”这一尺度概念。“女性在受精过程中被认为是被动的、没有选择的,但女性会在受精成果中获利”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,但我们并没有真正领会这一过程的遍及性以及它发生的频次”。Manier说,找到证据支撑或驳倒这一假设可能是一个挑战,由于必需得证明精子内的基因会影响它们的概况分子,而卵细胞能感知这些差别。要想获得这些成果需要对单个精子细胞进行细致的生化研究,并对它们的基因组进行测序。面临质疑,Nadeau曾经做好了预备。在各类会议上展现本人的研究功效之后,他凡是会遭遇攻讦者的各类各样的问题。他们能否被说服还不得而知,但Nadeau感觉这些人之前的观念曾经几多发生了一些松动。“若是你曾经解除了不成能的,那么剩下的,无论何等不成能,都必需是现实”,他捉弄道。

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