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今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康?

时文热点 | Snowk发表于2020年01月24日 | 137个浏览

 今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康? 医学 第1张

▎学术经纬/报道  


我们知道,人体内有2万多条基因,从事不同的功能。在人体的大部分器官里,只有部分基因会得到表达,比例约为60%。但很久以来,分子生物学家们就发现了一个非常令人困惑的现象——在睾丸组织里,基因表达的比例非常高,在人类精子细胞里可以达到90%。这是为啥?

 

在今天最新一期《细胞》杂志上,一篇论文为这个现象提供了解释:科学家们认为,精子如此活跃地进行基因转录,实则是在检查不同基因的完整性。在把基因传递给后代前,精子期望能对DNA进行一轮修复。这项研究也登上了本期《细胞》杂志的封面。


今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康? 医学 第2张

图片来源:Cell Press;Image credit: Molly Ferguson for STAT News

 

下面我们来看看这项研究是怎么做的。为了更好地了解这些基因的表达情况,科学家们在人类和小鼠的睾丸组织里做了“单细胞测序”,了解在精子的发生过程中(spermatogenesis),哪些基因在何时“启动”。

 

分析结果表明,人类生殖细胞中,在编码蛋白质的基因里,表达率高达90.5%。面对这一现象,研究人员们做了两个截然相反的假设:其一,由于大部分基因都得到了表达,解旋的DNA容易发生突变,从而提高这些基因的突变率;其二,在转录期间伴随的DNA修复(transcription-coupled repair)功能,可以减少这些基因的突变。

 

那么这两个看似矛盾的假设,哪一个才是正确的呢?与公共数据库相比对后,研究人员们发现,与那些不表达的基因相比,在精子里表达的基因,其突变要少上15%-20%。这表明与转录伴随的DNA修复起到了作用。


今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康? 医学 第3张

▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

 

看起来,精子在发育过程中之所以激活那么多的基因,是为了彻底做一遍DNA的修复,保护遗传信息的完整性。”本研究的负责人Itai Yanai教授说道。

 

读到这里,可能有朋友会问,这90%的基因得到了检查和修复,这当然很好。可是还有10%的基因没有表达呢。难道就不怕它们发生突变吗?其实,科学家们也考虑到了这个问题。他们分析了哪些基因没有在精子里得到表达,而其中许多和免疫系统有关。研究人员们指出,为了确保身体的健康,这些基因必须不断演化,以识别和攻击同样在演化中的细菌和病毒因此,这些不表达的基因出现突变,反而对人体有利。

 

综合来看,科学家们指出精子细胞里之所以有如此活跃的基因转录,实则是一次大规模的“安全检查”。与此同时,这还能保证基因组存在一定的变异,不断促进演化。这可以说是大自然给我们留下的一套神奇的机制。

 

参考资料:

[1] Bo Xia et al., (2020), Widespread Transcriptional Scanning in the Testis Modulates Gene Evolution Rates, Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.015

[2] Scanning system in sperm may control rate of human evolution, Retrieved January 23, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/nlh-ssi012120.php

今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康? 医学 第4张


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今日《细胞》封面:精子的这一奇怪特性,是为了后代的健康? 医学 第5张

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