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本报记者 冯卫东

精子细胞之间的竞争是非常惨烈的,它们都想率先到达卵细胞以使其受精。据德国马克斯·普朗克分子遗传研究所官网发布的一项小鼠研究显示,精子冲锋向前的能力取决于蛋白质RAC1。最佳量的RAC1蛋白活性可提高单个精子的竞争能力,而异常的蛋白活性则可导致男性不育。

在冲向卵子的比赛中,t—单倍型精子使用肮脏的技巧胜过基因“正常”精子。

图片来源:德国马普分子遗传学研究所官网

当数百万精子游向卵子使它们受精时,这实际上是一场生命竞赛。但是,成功突围的那个精子纯粹是凭运气吗?当然不是。事实证明,各个精子之间的竞争力存在差异。在小鼠中,一个“自私”的天然存在的DNA片段破坏了基因遗传的标准规则,并使包含这个片段的精子细胞的成功率高达99%。

研究人员描述了称为“ t—单倍型”的遗传因子是如何促进精子抢滩登陆直击卵子的。实验表明,具有t—单倍型的精子比其“正常”同伴更具进攻性,即向前运动更快,从而确立了它们在受精上的优势。研究人员分析了单个精子,发现大多数在冲向卵子路上“掉链子”的精子细胞都是基因“正常”的,而冲锋在前的精子大多数都包含t—单倍型遗传因子。

最重要的是,研究人员发现这种运动性差异与分子RAC1有关。这个分子开关通过激活其他蛋白将信号从细胞外部传递到内部。新数据表明,RAC1在将精子引向卵子并“嗅探”出其到达目标的方式上发挥了作用。

该研究的第一作者,马普分子遗传研究所的科学家亚历山德拉·阿玛拉尔表示:“单个精子的竞争力似乎取决于RAC1活性的最佳水平;RAC1活性过低或过高都会干扰其有效地向前运动。”

研究人员还表示,具有t—单倍型的精子会设法使没有该遗传因子的精子失能。诀窍在于,t—单倍型会“毒化”所有的精子,但同时又产生解毒剂,这种解毒剂仅在t—单倍型精子中起作用并保护它们。“想象一场马拉松比赛,所有参与者都喝了有毒的饮用水,但是有些选手却服了解毒剂。”

正如研究人员发现的那样,t—单倍型含有某些扭曲调节信令的基因变异。这些畸变因子是在精子发生的早期阶段建立的,并分布到携带t—单倍型的所有小鼠精子中。这些因子是干扰精子前进的“毒药”。

染色体在成熟期的精子间均匀分裂,即每个精子细胞仅含一半的染色体后,“解毒剂”就开始起效。仅有一半的t—单倍型精子会产生附加因子,该因子可逆转扭曲因子的负面影响,而且这个保护因子不会散布并保留在t—单倍型精子中。

研究人员观察到,在t—单倍型仅在其两个17号染色体之一上出现的雄性小鼠精子中,某些细胞向前运动,而某些细胞几乎裹足不前。对单个精子进行的测试表明,基因“正常”的精子大多不是直线运动的。当研究人员用RAC1抑制剂处理混合的精子时,他们发现基因“正常”的精子也开始逐渐游动。t—单倍型精子的优势消失了,这表明RAC1的异常活性会扰乱精子的前行能力。

该结果解释了为什么具有两个t—单倍型副本(分别位于两个染色体17上)的雄性小鼠是不育的。它们仅产生携带t—单倍型的精子。研究人员发现,这些精子细胞的RAC1活性水平要比基因“正常”小鼠高得多,并且几乎不运动。

但是,用RAC1抑制剂治疗的正常小鼠的精子也失去了前行的能力。因此RAC1活性太低也是不利的。研究人员推测, RAC1活性异常也可能是男性不育的特定形式。

研究人员表示,实验数据突显出精子细胞是无情的竞争者这一事实。t—单倍型的例子证明了某些基因是如何使用一些肮脏的技巧来达到目的的。基因差异可使单个精子在生命竞赛中占据优势,从而促进特定基因变异向下一代的传播。