超越适者生存?精子中的扫描系统或能控制人类进化的速度

Emma Chou

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图片来源:CELL PRESS

一项新的研究发现,成熟的精子细胞会激活大部分基因,不是像正常情况下那样遵循基因指令,而是在将DNA传递给下一代之前修复DNA。

这项研究由纽约大学格罗斯曼医学院(NYU Grossman School of Medicine)的研究人员牵头,并于1月23日发表在《细胞》杂志的网络版上。它关注的是一个生物学之谜:人类精子细胞激活的基因数量(90%)是迄今为止最多的。大多数器官中的细胞表达了大约60%的遗传密码,或者只是一种细胞类型完成其特定工作所需的基因子集。

资深作者作者兼纽约大学朗格健康学院计算医学研究所Itai Yanai博士说:“现在看来,精子可以激活更多的基因,因为这样做可以使它们通过DNA修复过程运行,并保护即将被遗传的信息的完整性。”

同样是纽约大学格罗斯曼医学院生物化学和分子药理学系教授的Yanai补充说:“我们还发现,在被激活或转录的基因中,精子中的这种修复活性较低。”“这支持了这样一种理论,即进化将转录频率作为一种杠杆,通过调节它来保护某些基因中的DNA代码,但当它有助于生存时,就会将其调低以使其他地方发生变化。”

与免疫相关的基因就是一个未激活,未修复且可以自由积累精子变化的基因,例如,如果人体要识别并攻击不断变化的细菌和病毒入侵者,则必须不断进化。

超出适者生存

为了进行这项新的研究,作者分析了精子在单细胞成熟过程中的基因表达模式。他们首先从自愿的志愿者身上采集了人类睾丸组织的样本。利用微流体技术,他们将样品中的所有细胞都放入一个足够大的试管中,使其以单个的形式流动。

在试管中,每个细胞都被放入自己的小水滴中,小水滴就像一个微型试管,酶打开细胞,然后将细胞特异性的条形码附着在每个转录的遗传物质片段上。这些标记过的转录本随后被用来创建在精子成熟过程中每个点上哪些基因被打开的图谱。然后,研究小组将这些发现与人类群体数据库中已知的DNA变异进行交叉比对,以估计修复某个特定基因的频率。

令人惊讶的是,研究人员发现,在精子发育过程中,即使是激活几次基因,其DNA编码错误也比未表达的基因少15- 20%,这一差异归因于转录耦合修复(TCR)。在转录过程中,也就是基因表达的第一步,指令被转换成相关的遗传物质RNA之前,这个过程会取代有缺陷的DNA补丁。然后读取RNA转录本以构建构成细胞结构和信号的蛋白质。

包括转录在内的细胞过程,以及环境中的毒素,不断地将错误引入DNA链,TCR会清除掉一些改变的代码。研究人员说,不同之处在于,精子细胞似乎比正常情况下对更多的基因施加了TCR,但随后通过蛋白质生成之前未知的机制停止了基因表达。

接下来,研究小组将试图确认精子衍生的遗传变化是否在精子成熟过程中未表达的基因里更经常发生。

这可能揭示了许多与父亲精子变化相关的遗传疾病的原因。众所周知,男性生殖细胞在人的一生中会分裂和繁殖,每一次都会出现错误。作者说,这可能为广泛扫描精子的存在提供了一个独特的理论基础,因为每个女性子宫里接受的卵细胞在她的余生里都不会繁殖。

此外,研究小组还将确定,大脑中也表达大量基因的细胞是否会像精子细胞一样采用“转录扫描”,以及这种扫描是否会随着年龄增长而失效,从而增加患神经退行性疾病的风险。胚胎干细胞也显示出高转录、低突变的特征,这可能表明在发育过程中存在这样的扫描。

“适者生存是进化理论的基础,但如果在自然选择作用之前,其他机制偏向于哪一种基因类型更容易发生变化呢?”论文第一作者Bo Xia表示,“睾丸的这种偏差会产生巨大的影响,但只在进化的时间尺度上,比如数百万年。”

原文来源:https://phys.org/news/2020-01-scanning-sperm-human-evolution.html

可行性研究报告

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