原文以Why humans develop sex cells as embryos — but corals don't為標(biāo)題
發(fā)布在2016年12月20日的《自然》新聞上
原文作者：Philip Ball
保持線粒體質(zhì)量的動力或許可以解釋為什么不同的生物在不同階段發(fā)育生殖細(xì)胞。
動物和植物生殖細(xì)胞的發(fā)育方式十分不同，但沒人知道為什么。現(xiàn)在，英國的一支研究團隊認(rèn)為他們已經(jīng)解開了這個謎題。
就人類和動物而言，早在生殖行為發(fā)生之前，其生殖細(xì)胞就已發(fā)育完善。在生命發(fā)育的最早階段，也就是胚胎中，我們的生殖細(xì)胞就已經(jīng)開始發(fā)育，繼而形成染色體數(shù)量為常規(guī)數(shù)量一半的精子和卵子。對于雌性而言，卵子在需要派上用場之前會被擱置一邊，處于發(fā)育停頓狀態(tài)。而雄性在度過青春期后，終其一生都會持續(xù)產(chǎn)生精子，但精子賴以形成的專門的生殖細(xì)胞系在早期階段就已形成。
但珊瑚、海綿和植物卻沒有這樣的安排。它們一開始時只發(fā)育出體細(xì)胞，每個細(xì)胞都擁有全套染色體。等到交配時，它們才會根據(jù)需要，從成體組織的干細(xì)胞中發(fā)育出生殖細(xì)胞或配子。
為何有此差異？倫敦大學(xué)學(xué)院的生物化學(xué)家Nick Lane認(rèn)為，較為復(fù)雜的動物之所以形成專門的生殖細(xì)胞系，是為了維持其線粒體的質(zhì)量。線粒體是細(xì)胞中專門制造能量的結(jié)構(gòu)，它們位于細(xì)胞核外部，并擁有自己的基因。
在12月20日發(fā)表的數(shù)學(xué)模型中，Lane及合作者展示了他們的論據(jù)。團隊認(rèn)為，人類和其他復(fù)雜動物面臨的問題是，在不斷成長的過程中，如果一些成體細(xì)胞在轉(zhuǎn)變成配子之前可以不斷分裂，那么線粒體就會快速積累基因突變和錯誤。某些配子可能會獲得大量的突變線粒體，導(dǎo)致后代組織質(zhì)量低下，而在早期就產(chǎn)生所需的所有卵子則可以避免這種問題。
之前，已有研究者提出“保護”靜止卵子中的線粒體DNA的觀點。但是，這種觀點存在一個問題：經(jīng)歷一定的突變對線粒體是有益的。突變是演化的動力，讓優(yōu)勢線粒體基因型得以出現(xiàn)。因此，由反復(fù)復(fù)制的成體細(xì)胞形成的配子可能具有有益的變異。演化能保留“好”突變，消除“壞”突變，最終改善線粒體質(zhì)量。
擁有生殖細(xì)胞系的優(yōu)缺點之間形成了微妙的平衡。如何獲得充足的配子間差異，使演化發(fā)揮作用，同時又不至積累起損害由這些配子形成的生物體的突變呢？
Lane及同事在PLoS Biology期刊中發(fā)表了自己設(shè)計的模型，該模型為不同生物體為何形成了不同的“折中方案”提供了一種可能的解釋。
在較為復(fù)雜的動物中，線粒體基因復(fù)制錯誤率相對較高。在這種情況下，最好的解決方案是通過有限的細(xì)胞分裂形成雌配子前體，產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于需求的生殖細(xì)胞系細(xì)胞，然后剔除其中大部分，形成隨機選擇出的變異體。這一過程被稱為閉鎖，在包括人類在內(nèi)的許多生物體中都存在，但其功能一直讓科學(xué)家們感到不解。
人類生殖細(xì)胞（或稱配子）在胚胎發(fā)育早期形成。
Eye of Science/Science Photo Library
一旦獲得了一群差異適當(dāng)?shù)拇婆渥?，進一步的細(xì)胞分裂便會停止，以避免在發(fā)育后期積累過多的線粒體突變。這類突變在精子中確實會累積，因為精子比卵子經(jīng)歷的細(xì)胞分裂要多得多。但這沒有關(guān)系，因為卵子受精后，精子的線粒體就會被拋棄，不會傳遞給下一代。
但在植物和“基底”動物（比如珊瑚和海綿）中，線粒體基因復(fù)制的錯誤率很低。在這種情況下，避免線粒體基因復(fù)制的需求也有所下降。因此，配子在發(fā)育后期形成，這樣就能獲得遺傳變異的優(yōu)勢，而不必面臨線粒體質(zhì)量不佳的風(fēng)險。
但是，復(fù)制錯誤率起初為何存在差異仍是個未解之謎。原因可能是隨著早期動物分化——從過濾性攝食變?yōu)橐苿硬妒?，有氧活動也隨之增加，氧氣需求因此擴大，需要在細(xì)胞中存儲更多的線粒體，從而造成復(fù)制錯誤率上升。
英國伯明翰大學(xué)的生物數(shù)學(xué)家Iain Johnston說，這項新研究“發(fā)人深思”?！八麄兊恼f法合理而富有創(chuàng)造性?！钡赋?，即使在同一物種內(nèi)，線粒體DNA復(fù)制的錯誤率也不是既定的，而會在選擇壓力下發(fā)生改變。
Lane表示，他們的模型可以解釋有性生殖的多個不同方面，但要檢驗?zāi)Ｐ蛥s不容易?！皼]有什么實驗?zāi)転樽匀皇飞戏秶绱藦V博的過程提供見解，”他說?！爸挥欣碚摵徒２庞邢Ｍ麑ζ渥龀鰴z驗?！?/p>
但Johnston說這個模型部分可證，而且至少是可證偽的?！叭绻l(fā)現(xiàn)了某種線粒體DNA復(fù)制錯誤率高但沒有生殖細(xì)胞系，或復(fù)制錯誤率低但有生殖細(xì)胞系的生物，就為推翻這個理論提供了證據(jù)，”他說。
Lane補充表示，該模型應(yīng)該也能用于預(yù)測閉鎖和配子間線粒體差異的關(guān)系，這些預(yù)測可與實際生物體的數(shù)據(jù)進行對比檢驗。?
Nature|doi:10.1038/nature.2016.21218
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