今日《细胞》封面：精子的这一奇怪特性，是为了后代的健康？

▎学术经纬/报道  

我们知道，人体内有2万多条基因，从事不同的功能。在人体的大部分器官里，只有部分基因会得到表达，比例约为60%。但很久以来，分子生物学家们就发现了一个非常令人困惑的现象——在睾丸组织里，基因表达的比例非常高，在人类精子细胞里可以达到90%。这是为啥？

在今天最新一期《细胞》杂志上，一篇论文为这个现象提供了解释：科学家们认为，精子如此活跃地进行基因转录，实则是在检查不同基因的完整性。在把基因传递给后代前，精子期望能对DNA进行一轮修复。这项研究也登上了本期《细胞》杂志的封面。

图片来源：Cell Press；Image credit: Molly Ferguson for STAT News

下面我们来看看这项研究是怎么做的。为了更好地了解这些基因的表达情况，科学家们在人类和小鼠的睾丸组织里做了“单细胞测序”，了解在精子的发生过程中（spermatogenesis），哪些基因在何时“启动”。

分析结果表明，人类生殖细胞中，在编码蛋白质的基因里，表达率高达90.5%。面对这一现象，研究人员们做了两个截然相反的假设：其一，由于大部分基因都得到了表达，解旋的DNA容易发生突变，从而提高这些基因的突变率；其二，在转录期间伴随的DNA修复（transcription-coupled repair）功能，可以减少这些基因的突变。

那么这两个看似矛盾的假设，哪一个才是正确的呢？与公共数据库相比对后，研究人员们发现，与那些不表达的基因相比，在精子里表达的基因，其突变要少上15%-20%。这表明与转录伴随的DNA修复起到了作用。

▲本研究的图示（图片来源：参考资料[1]）

“看起来，精子在发育过程中之所以激活那么多的基因，是为了彻底做一遍DNA的修复，保护遗传信息的完整性。”本研究的负责人Itai Yanai教授说道。

读到这里，可能有朋友会问，这90%的基因得到了检查和修复，这当然很好。可是还有10%的基因没有表达呢。难道就不怕它们发生突变吗？其实，科学家们也考虑到了这个问题。他们分析了哪些基因没有在精子里得到表达，而其中许多和免疫系统有关。研究人员们指出，为了确保身体的健康，这些基因必须不断演化，以识别和攻击同样在演化中的细菌和病毒。因此，这些不表达的基因出现突变，反而对人体有利。

综合来看，科学家们指出精子细胞里之所以有如此活跃的基因转录，实则是一次大规模的“安全检查”。与此同时，这还能保证基因组存在一定的变异，不断促进演化。这可以说是大自然给我们留下的一套神奇的机制。

参考资料：

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

[2] Scanning system in sperm may control rate of human evolution, Retrieved January 23, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/nlh-ssi012120.php

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