当精子竞赛时,它会一直持续下去。因此,在某些物种中,争夺谁先拿到卵的竞争可能会变得有点肮脏,这一点也就不足为奇了。
人们发现,小鼠基因中的一种变异使拥有该基因的精子具有明显的优势,它可以在同龄精子处于发育过程中时毒害它们,使它们失去有效嗅探卵子的能力。
在一个相当因果报应的扭曲中,一个仅由潜在刺客组成的种族将是一场彻底的灾难,研究人员发现,基因变异有可能过量服用自己的杀手鸡尾酒,除非种族被其受害者所平衡。
柏林马克斯普朗克分子遗传学研究所的遗传学家在研究雄性性细胞引导其通过雌性生殖系统的机制时,在小鼠精子中发现了这种相当独特的“作弊代码”。
“我们的数据强调了这样一个事实:精子细胞是无情的竞争者,”说研究所所长伯恩哈德·赫尔曼。
“遗传差异可以使个体精子在生命竞赛中获得优势,从而促进特定基因变异向下一代的传递。”
他们发现了一个Rho蛋白开关RAC1 在保持精子笔直和狭窄方面发挥着不可或缺的作用。把这个调节器搞乱了,精子就会摇摇晃晃地走来走去,就像周二廉价饮料关门后回家一样。
但显然进化已经解决了这一切。根据研究人员的说法,17 号染色体上序列编码的变异似乎就是这样做的,从而产生了一种破坏 RAC1 工作的产品。
这个区域——称为 t 变体——对科学来说并不陌生。事实上,这段 DNA 在孟德尔遗传学中是一个奇怪的现象近一个世纪以来。
该性状杂合的小鼠(具有一条 17 号 t 变体染色体和一条具有“正常”编码的伴侣染色体)不会产生您所期望的 50-50 比例的后代。事实上,他们的后代出生时没有 t 变体的几率是百分之一。
然而,如果他们碰巧是纯合子——两个版本的 17 号染色体都含有这种异常编码——那么他们就可以告别父亲身份了。它们是完全无菌的。
考虑到所有这些,研究人员通过对单个精子进行基因分型并评估其运动模式,准确地弄清了这些小小鼠睾丸内部发生的情况。
在配子产生的早期,在同时含有 t 变体染色体和更正常版本的精子前体细胞内,有毒的 t 编码会干扰 RAC1 的发育,从而有效地使其失效。
然而,一旦前体细胞最终分裂成精子形式,它们就会经历减数分裂过程,将染色体分开,这样每个精子每对中只有一个。
这意味着一些精子现在具有 t 变体染色体,而其他精子则没有。这是真正聪明的部分——t 变体也产生了自己的补救措施,通过表达一种特殊的调节蛋白来拯救 RAC1 免受伤害。
“想象一下一场马拉松比赛,所有参赛者的饮用水都中毒了,但有些跑步者也服用了解毒剂,”说赫尔曼.
这种解毒剂在足够小的剂量下就能发挥很好的作用。不幸的是,RAC1 过多和不足一样糟糕。在一场充满毒药的马拉松比赛中,他们都在生产解药,赛车手很快就会承受过量的 RAC1 的负担。
“单个精子的竞争力似乎取决于活性 RAC1 的最佳水平;RAC1 活性降低或过度都会干扰有效的向前运动,”说该研究的主要作者亚历山德拉·阿马拉尔。
这是实验首次准确证明杂合 t 变体小鼠如何获得优势,同时证实了 RAC1 在哺乳动物精子导航中的生物化学作用。
这项研究是在小鼠身上进行观察的,与人类生殖的相关性有限。但是,我们对整个动物界生殖化学的不同模型了解得越多,我们就越了解我们的生殖化学是如何进化的。
这项研究发表于公共科学图书馆一号。