總有一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)，會(huì)令人不禁感嘆，生命的構(gòu)造真是奇妙又精美。近期頂級(jí)期刊《細(xì)胞》雜志刊登的論文就給我們帶來了這樣一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)[1]。

紐約大學(xué)朗格健康學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)通過單細(xì)胞測(cè)序發(fā)現(xiàn)，精子中高達(dá)九成的基因處于活躍的轉(zhuǎn)錄中，并通過這一程序來修復(fù)DNA損傷，減少突變。可以說，精子細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他細(xì)胞，正是一種為了保持遺傳穩(wěn)定的“自我檢查”。

更神奇的是，剩余的10%基因也不是“棄子”，這部分基因多與免疫、感覺功能相關(guān)，更高的突變速率能夠幫助機(jī)體在面對(duì)外界不同環(huán)境時(shí)盡快適應(yīng)。

這簡(jiǎn)直就是冥冥有天意，生命真神奇啊~

研究登上當(dāng)期《細(xì)胞》封面

其實(shí)生殖細(xì)胞的特殊之處，很早就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了。我們知道，人體內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞其實(shí)都含有這個(gè)人的全部基因信息，但是卻不是所有的基因都會(huì)在同一時(shí)間表達(dá)，但是睪丸卻表現(xiàn)得異常鶴立雞群，超過80%的編碼基因都是處于轉(zhuǎn)錄中的[2]。

事出反常必有妖，睪丸如此這般是為啥？科學(xué)家們也提出了一些假設(shè)來試圖解釋。最初的假設(shè)很直觀：轉(zhuǎn)錄，說明功能有需要嘛。

但是細(xì)一想，這事兒不對(duì)，主要證據(jù)有三。一，人體這么多器官，要說功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒誰能夠比過大腦，可就算大腦表達(dá)基因的比例也沒有這么高[3]；二，有許多研究表明，就算敲除睪丸中高表達(dá)的部分基因，雄性小鼠照樣能夠生兒育女[4]；三，對(duì)比轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組，結(jié)果并不一致，也就是說高轉(zhuǎn)錄的基因并沒有都翻譯成為有功能的蛋白質(zhì)[5]。

精子的發(fā)育

可見這些基因，表達(dá)出來還真的沒有什么特殊用處。

另外一種假說則認(rèn)為，由于精子形成涉及大規(guī)模的染色質(zhì)重構(gòu)，我們所觀察到的轉(zhuǎn)錄其實(shí)是染色質(zhì)重構(gòu)造成的一種“泄漏”。不過這個(gè)假說也有些站不住，因?yàn)榘凑者@個(gè)理論，在精子形成的后期應(yīng)當(dāng)表達(dá)水平比早期還高，但是真實(shí)情況卻是完全相反的[6]。再說了，轉(zhuǎn)錄需要的能量可是非常多的，細(xì)胞也不傻，不會(huì)做這種無用功。

今天要說的這項(xiàng)研究則提出了一個(gè)全新的理論，科學(xué)家們把它命名為“轉(zhuǎn)錄掃描（transcriptional scanning）”。簡(jiǎn)單來說，大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄其實(shí)是為了利用轉(zhuǎn)錄過程所附帶的“轉(zhuǎn)錄耦合修復(fù)（TCR）”，系統(tǒng)地檢測(cè)和修復(fù)DNA損傷，避免基因突變，保持遺傳穩(wěn)定。

研究者利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)分析了人類和小鼠的睪丸細(xì)胞，分析結(jié)果表明，精子中編碼基因的表達(dá)比例竟然高達(dá)90.5%。與此相對(duì)的，其他的體細(xì)胞表達(dá)比例僅有59.9%。

基因表達(dá)比例

這個(gè)現(xiàn)象肯定不尋常，研究者們想到了兩種后果：要么，高水平轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致突變?cè)黾?，以致基因的多樣性增加；要么，伴隨轉(zhuǎn)錄的修復(fù)增加，降低基因突變率，以致基因組更穩(wěn)定。

與公開的數(shù)據(jù)庫對(duì)比之后，研究者發(fā)現(xiàn)，后者才是正確答案。與不表達(dá)的基因相比，那些積極轉(zhuǎn)錄的基因突變數(shù)量要少得多，部分類別甚至能降低20%以上。

顯然，這種大規(guī)模轉(zhuǎn)錄事實(shí)上構(gòu)成了對(duì)基因組的保護(hù)。

表達(dá)的基因反而突變更少

那么還有10%的沒有轉(zhuǎn)錄的基因呢？

研究者分析了這部分基因的功能，發(fā)現(xiàn)主要涉及環(huán)境感知、免疫系統(tǒng)、防御反應(yīng)等功能，而這些基因本身在人類的基因組中的進(jìn)化速度就更快[7]。可以猜想，這部分基因在精子中不表達(dá)，可能有助于加速它們的進(jìn)化。

這樣看來，精子的高轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象真是對(duì)進(jìn)化速率的一次精巧調(diào)節(jié)，我們的生命簡(jiǎn)直太神奇辣~

參考資料：

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

[2] Soumillon M.Necsulea A.Weier M.Brawand D.Zhang X.Gu H.Barthès P.Kokkinaki M.Nef S.Gnirke A.et al.Cellular source and mechanisms of high transcriptome complexity in the mammalian testis.Cell Rep. 2013; 3: 2179-2190.

[3] Brawand, D., Soumillon, M., Necsulea, A., Julien, P., Csa′rdi, G., Harrigan, P.,Weier, M., Liechti, A., Aximu-Petri, A., Kircher, M., et al. (2011). The evolution of gene expression levels in mammalian organs. Nature 478, 343–348.

[4] Miyata, H., Castaneda, J.M., Fujihara, Y., Yu, Z., Archambeault, D.R., Isotani,A., Kiyozumi, D., Kriseman, M.L., Mashiko, D., Matsumura, T., et al. (2016).Genome engineering uncovers 54 evolutionarily conserved and testis-enriched genes that are not required for male fertility in mice. Proc. Natl. Acad.Sci. USA 113, 7704–7710.

[5] Wang, D., Eraslan, B., Wieland, T., Hallstro¨ m, B., Hopf, T., Zolg, D.P., Zecha,J., Asplund, A., Li, L.-H., Meng, C., et al. (2019). A deep proteome and transcriptome abundance atlas of 29 healthy human tissues. Mol. Syst. Biol.15, e8503.

[6] Naro, C., Jolly, A., Di Persio, S., Bielli, P., Setterblad, N., Alberdi, A.J., Vicini, E.,Geremia, R., De la Grange, P., and Sette, C. (2017). An orchestrated intronretention program in meiosis controls timely usage of transcripts duringgerm cell differentiation. Dev. Cell 41, 82–93.e4.

[7] Boehm, T. (2012). Evolution of vertebrate immunity. Curr. Biol. 22, R722–R732.Brawand, D., Soumillon, M., Necsulea, A., Julien, P., Csa′rdi, G., Harrigan, P.,Weier, M., Liechti, A., Aximu-Petri, A., Kircher, M., et al. (2011). The evolution ofgene expression levels in mammalian organs. Nature 478, 343–348.

本文作者 | 代絲雨