【中國經(jīng)濟新聞聯(lián)播訊】經(jīng)典的遺傳學理論說配子是隨機結合的，但有試驗顯示，卵細胞有時會主動選擇精子，以獲取其遺傳物質(zhì)。

撰文 | Carrie Arnold

翻譯 | 楊珂

審校 | 王妍琳

在受精這個“贏家通吃”的游戲中，數(shù)百萬計的精子游向在終點線等待的卵細胞。很多精子由于缺少尾部或尾部畸形等缺陷甚至直接輸在了起跑線。一些精子可能沒有足夠的能量去穿越漫長的女性生殖道，還有些精子會被困在生殖道分泌的粘性液體中。這意味著除了最強的游泳健將之外，其他所有精子都會被阻礙。在能夠成功接近卵細胞的選手中，唯一的獲勝者將由最后的沖刺階段決定。因此，幾乎所有科學家都認為，勝出的精子是隨機的；卵細胞一直在被動的等待，直到精子中的菲爾普斯到達終點。

西北太平洋國家實驗室的主任研究員Joe Nadeau對此“教條”發(fā)起了挑戰(zhàn)。若受精是隨機的，那么后代的基因組合應呈現(xiàn)特定比例，但在自己實驗室的兩個例子中，Nadeau發(fā)現(xiàn)一些基因配對組合出現(xiàn)的概率比其他組合高的多，表明受精遠非隨機。在排除了其他可能解釋后，他只能得出結論：受精并不是隨機的。

Nadeau說：“這等同于配子在選擇它的伴侶”。

他提出假設：卵細胞可以用特定的基因吸引精子，反之亦然。同時生物學家們也漸漸認識到，卵細胞并不是長久以來大家認為的順從、被動的細胞，相反，研究人員認為卵細胞在生殖過程中是與精子平等的、活躍的參與者，它在生命最重要的過程中增加了演化控制和選擇的程度。

來自喬治華盛頓大學的演化生物學家Mollie Manier說：“女性生殖系統(tǒng)的解剖學更加神秘、很難研究，但人們對女性在受精過程中的角色的認識正變得更加深入”。

細胞層面的性選擇

性選擇的概念可以追溯到達爾文本人。在《物種起源》中，他用孔雀艷麗的尾巴和麋鹿的巨大鹿角作為例子，闡明物種會演化出特定的特征，來幫助雄性吸引雌性。在接下來的一個世紀里，生物學家將注意力放在交配前性選擇的各個方面。交配一旦進行，雌性就已經(jīng)作出了她們的選擇，之后就是精子們的競賽了。

來自紐約大學的人類學家Emily Martin在1991年的一篇論文中指出，這種男性主導的女性生殖生物學觀點是被普遍接受的。她寫道，“人們認為卵細胞是大而被動的，它不運動，只是被動地沿著輸卵管游走。精子與之形成鮮明對比，它們小、呈流線型，而且總是充滿活力?！?/p>

然而從上個世紀70年代開始，一些科學發(fā)現(xiàn)開始削弱這個刻板印象。William Eberhard是 史密森熱帶研究所的一名行為生態(tài)學家，他記錄了雌性動物在交配后，是如何通過多種方式影響卵細胞受精的。這個名單很長，而且科學家還不確定這是否就是全部。但這些遲來的發(fā)現(xiàn)并不是由于性別歧視。畢竟兩只海象用它們的象牙決斗很容易觀察，而觀察女性生殖道中卵細胞的“躲貓貓”游戲則難得多。

?

掃描電鏡圖中顯示了人類的受精時刻。曾經(jīng)人們將受精過程中的卵細胞描繪成被動的，但新的發(fā)現(xiàn)表明，卵細胞可能會篩掉基因不合適的精子。

在那些體外受精的物種中，雌性通常會用厚厚的富含蛋白質(zhì)的覆蓋它們的卵細胞。2013年英國東安格利亞大學的Matthew Gage通過試驗表明，這些卵巢液中含有的化學信號有助于卵細胞吸引正確的精子。當他們將鮭魚和鱒魚的卵細胞混合后，暴露于其精子的混合液中，發(fā)現(xiàn)70%的卵細胞可以與同物種的精子成功結合，遠超預期幾率。

Gage說道，“精子在不同液體環(huán)境中表現(xiàn)不同。事實上，它們在自己的液體中游得更直”。

體內(nèi)受精的動物有它們自己的辦法，Eberhard稱之為“神秘的女性選擇”。一些女性的生殖道錯綜復雜，能夠成功阻攔最強精子以外的所有精子。一些雌性動物可以與不止一個雄性交配（生物學家估計大多數(shù)物種都是這樣），包括許多爬行動物、魚類、鳥類和兩棲動物，雌性可以儲存精子數(shù)月甚至數(shù)年，通過改變儲存環(huán)境篩選精子。許多雌鳥，包括家禽，可以在交配后排出精子，從而選擇自己最青睞的雄性。

?

Joe Nadeau

然而，所有這些策略都只是為女性選擇男性精子提供機會。在一次射精中，哪個精子可以最終與卵細胞結合看上去仍然是隨機的。

事實上，受精的隨機性是隱含在孟德爾遺傳第一定律，也就是分離定律里的?？刂仆恍誀畹倪z傳因子成對存在，在配子形成時分開，分別進入一個配子細胞中去，這導致了后代的多種可能性。如果父母雙方都是雜合子---指其攜帶的一個基因存在有兩個版本，那么50%的后代是雜合子，25%的后代是攜帶其中一個版本的純合子，剩下的25%是攜帶有另一版本的純合子。

Nadeau說，“這是生物學中最廣泛適用的規(guī)則之一“。

然而，這些可能性建立的前提是受精是隨機的。如果卵細胞或精子可以在受精過程中影響了其他配子，那么這些比率將會大不相同。這一驚人的差異在2005年引起了Nadeau的關注，當他開始研究小鼠身上兩種特殊基因的遺傳規(guī)律時發(fā)現(xiàn)了例外。在西雅圖的實驗室里，Nadeau開始懷疑：難道是孟德爾錯了嗎？

孟德爾定律的推翻者

Nadeau起初是想知道這兩個基因（Apobec1和Dnd1）是如何相互作用從而影響睪丸癌（遺傳幾率很高的一種癌癥）的患病風險的。當Nadeau和他的博士生Jennifer Zechel將攜帶一條突變Dnd1基因的雌性雜合子與Apobec1雜合的雄性交配時，后代似乎全部符合孟德爾定律。但當他們反向交配時（Apobec1雜合雌性與Dnd1雜合雄性交配），結果變得很奇怪：攜帶Apobec1突變基因、Dnd1突變基因或二者都有的后代僅占27%，但這一數(shù)值在理論上應該是75%。

作為一名在遺傳學領域工作了幾十年的研究人員，Nadeau知道許多可以影響孟德爾遺傳性狀比例的因素。如果受精卵最終得到了兩個突變的隱性基因，那么胚胎在早期發(fā)育中可能死亡，這種胚胎致死性突變會影響純合子和雜合子的比例，同時也會減少每窩的幼鼠數(shù)量。然而，這次試驗中Zechel和Nadeau觀測的小鼠后代數(shù)量正常，也沒有發(fā)現(xiàn)受精后胚胎死亡的證據(jù)。

Nadeau認為，或許問題出在精子身上，而非卵細胞。因此他將不帶有突變的健康雌鼠分別與攜帶突變、不帶有突變的雄鼠交配，但未發(fā)現(xiàn)雄鼠的生育能力有任何差異（若突變影響精子產(chǎn)生，生育能力就會有明顯差異）。隨后Nadeau和他的團隊排除了所有可能導致后代基因型比率改變的原因。那么可能性就只剩下了一種：在受精過程中，卵細胞和精子對于突變基因型是有基因偏向性的。

Nadeau認為肯定有人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這點，于是他開始檢索科學文獻。盡管他可以找到很多無法解釋后代比率的例子，但沒有人深入研究過“基因偏向”受精的機制。

Nadeau說，“每個人都把它歸因于胚胎致死，這是因為我們先入為主地進行了觀察和解讀”。

在Nadeau發(fā)現(xiàn)的例子中，有一個來自于阿爾伯塔大學癌癥研究員Roseline Godbout實驗室。Godbout研究一種名為DDX1的蛋白在視網(wǎng)膜母細胞瘤發(fā)展中的作用（一種高度遺傳的兒童期腫瘤疾?。?。缺少一個功能性DDX1基因的小鼠看起來是正常且健康的，Godbout和維也納Max F.Perutz實驗室的博后Devon Germain將這樣的雜合子進行繁育，發(fā)現(xiàn)后代中沒有一個是缺失兩條功能性DDX1的，但根據(jù)孟德爾定律應該有25%。DDX1在DNA復制中的十分重要，所以缺少DDX1的純合子可能會在懷孕后死亡，從而導致了這一現(xiàn)象。Godbout和German同時發(fā)現(xiàn)，功能性DDX1純合子的后代數(shù)量也低于預期。通過一系列復雜的交配試驗，科學家提出，這樣的結果可能由于DDX1在實驗中發(fā)生了一種罕見突變。

?

Devon Germain，現(xiàn)任Max F。 Perutz實驗室博士后研究員，當與阿爾伯特大學Roseline Godbout合作時，他觀察到一個疑似受精期間基因偏向性的案例。

Nadeau對此解釋并不信服。他向Godbout詢問對方是如何驗證缺少DDX1的純合子在胚胎期死亡的，結果他們并沒有驗證。他同時詢問他們是否考慮到受精過程中基因的偏向性，也就是說，卵細胞傾向于與攜帶另一種DDX1基因型的精子結合。

Germain回憶說，“我們真的認為這只是一種奇怪的遺傳模式，我們從未考慮非隨機受精”。

后來，Germain突發(fā)奇想，決定回顧試驗中所有的原始數(shù)據(jù)。當他查看結果時，他想起了Godbout的問題。他說，他對這些數(shù)據(jù)研究的越多，就越認為基因偏向受精是“最可信的解釋”。

令Nadeau失望的是，很少有科學家用基因偏向受精來解釋他們的試驗結果。他在文章《配子也能求愛嗎？》（Can Gametes Woo）中提出了他的假設，這篇文章發(fā)表在10月的《遺傳學》（Genetics）上。他說，他的目標是促進更多此領域的研究，并確定卵細胞和精子間是否存在可以影響受精結果的相互作用，以及這些相互作用的機制。

“我們被先入為主了”，Nadeau說，“這是一種不同的思考方式，對受精過程有非常不同的影響”。

?

喬治華盛頓大學的演化生物學家Mollie Manier指出，女性在生殖中的角色比大家認為的更加活躍。然而，她對卵細胞選擇精子的證據(jù)仍持謹慎態(tài)度。

其他科學家，比如喬治華盛頓大學的Manier說Nadeau的假設很有趣、也有可能成立，但他們指出，沒有任何證據(jù)解釋它是如何發(fā)生的。Nadeau同意這種觀點并提出兩種可能性。

第一個假設涉及維生素B的代謝，例如葉酸是精子與卵細胞重要信號分子的合成原料。Nadeau實驗室的研究表明，這些分子在受精過程中發(fā)揮了重要作用，他認為一些信號基因的異常可能會影響精子和卵細胞的相互吸引。

另一個猜想是競爭假說，它基于一個事實，即在次級卵母細胞第二次減數(shù)分裂產(chǎn)生卵細胞前，精子通常就在女性生殖道中出現(xiàn)了。精子產(chǎn)生的信號可能會影響次級卵母細胞分裂，并導致卵細胞產(chǎn)生偏向性。

無論其中的機制是什么，這項工作都挑戰(zhàn)了“女性在受精過程中是被動的”這一標準觀點。“女性在受精過程中被認為是被動的、沒有選擇的，但女性會在受精結果中獲利”西澳大利亞大學的進化生物學家Renee Firman說，“我們還要走很長的路才能理解這一過程，但我們并沒有真正了解這一過程的普遍性以及它發(fā)生的頻率”。

Manier說，找到證據(jù)支持或駁斥這一假設可能是一個挑戰(zhàn)，因為必須得證明精子內(nèi)的基因會影響它們的表面分子，而卵細胞能感知這些差異。要想得到這些結果需要對單個精子細胞進行詳細的生化研究，并對它們的基因組進行測序。

面對質(zhì)疑，Nadeau已經(jīng)做好了準備。在各種會議上展示自己的研究成果之后，他通常會遭遇批評者的各種各樣的問題。他們是否被說服還不得而知，但Nadeau覺得這些人之前的觀念已經(jīng)多少產(chǎn)生了一些松動。“如果你已經(jīng)排除了不可能的，那么剩下的，無論多么不可能，都必須是事實”，他打趣道。

原文鏈接：

https：//www.quantamagazine.org/choosy-eggs-may-pick-sperm-for-their-genes-defying-mendels-law-20171115/