Nature：成功追踪哺乳动物精子发生的快速进化

2022-12-26 12:12

雄性哺乳动物为保证生育自己的后代所承受的进化压力导致了睾丸的快速进化。在一项新的研究中，来自德国海德堡大学分子生物学中心等研究机构的研究人员通过生物信息学研究发现，这种进化压力尤其加速了精子形成后期的进化。相关研究结果于2022年12月21日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“The molecular evolution of spermatogenesis across mammals”。

这项研究的目的是首次解码多种哺乳动物和人类精子形成的遗传调节，从而追踪这种精子生成的进化。与此同时，这些作者还能够检测出在进化过程中活性保持不变的基因。

睾丸中的精子生成受不同基因活性的精细协调、复杂的相互作用控制。到目前为止，人们对这些基因程序的理解主要局限于小鼠。论文共同通讯作者、海德堡大学分子生物学中心的Henrik Kaessmann教授“哺乳动物基因组进化”小组博士研究员Noe Mbengue解释说，“因此，人们对构成不同哺乳动物精子发生的巨大差异的遗传基础知之甚少，无论是在形成的精子细胞数量方面还是在其特性方面。”

这些作者如今成功地确定了10种不同的哺乳动物在整个精子发生过程中单个细胞水平上的所有基因的表达。他们研究的有机体代表了所有主要的哺乳动物群体，包括人类以及其亲缘关系最接近的物种---类人猿。为了做到这一点，他们使用了最先进的单细胞基因组学技术。基于这些数据，他们随后能够借助不同哺乳动物之间的生物信息学比较来追踪精子发生的进化。据Kaessmann教授的说法，这一比较研究发现了一种与时间有关的模式。

10种哺乳动物和1种鸟类的snRNA分析，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05547-7。

Kaessmann“哺乳动物基因组进化”小组前博士后研究员Florent Murat博士说，“虽然哺乳动物之间在精子发生的早期阶段的遗传程序非常相似，但在后期阶段，它们有很大差异；这意味着睾丸的快速进化是精子发生后期细胞出现重大差异的结果。”

这些作者的进一步分析揭示了在进化过程中活性保持不变的基因。它们调节精细胞形成的基本过程，这些过程对所有哺乳动物都是一样的。Kaessmann教授解释说，“因此，我们的数据也为研究男性的生育障碍提供了有价值的元素。”

最后，这些作者的数据使他们首次能够区分携带X或Y染色体从而决定后代性别的精细胞。借助于这种区分，他们成功地系统性研究了这些性染色体上的基因表达。正如这项研究所显示的那样，所有雄性哺乳动物的性染色体上的基因表达在称为减数分裂的成熟分裂过程中是下调的。据推测，这一机制对于防止减数分裂期间X和Y染色体之间发生不利的基因交换至关重要。

参考资料：

1. Florent Murat et al. The molecular evolution of spermatogenesis across mammals. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05547-7.

2. Tracing the rapid evolution of spermatogenesis across mammals
https://phys.org/news/2022-12-rapid-evolution-spermatogenesis-mammals.html