小嬰兒竟然出生前就開始造精子卵子了？圖什麼啊！

人類生殖細胞（或稱配子）在胚胎髮育早期形成。

Eye of Science/Science Photo Library

原文以Why humans develop sex cells as embryos — but corals don t為標題

發布在2016年12月20日的《自然》新聞上

原文作者：Philip Ball

保持線粒體質量的動力，或許可以解釋為什麼不同的生物在不同階段發育生殖細胞。

動物和植物生殖細胞的發育方式十分不同，但沒人知道為什麼。現在，英國的一支研究團隊認為他們已經解開了這個謎題。

就人類和動物而言，早在生殖行為發生之前，其生殖細胞就已發育完善。在生命發育的最早階段，也就是胚胎中，我們的生殖細胞就已經開始發育，繼而形成染色體數量為常規數量一半的精子和卵子。對於雌性而言，卵子在需要派上用場之前會被擱置一邊，處於發育停頓狀態。而雄性在度過青春期後，終其一生都會持續產生精子，但精子賴以形成的專門的生殖細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。它們一開始時只發育出體細胞，每個細胞都擁有全套染色體。等到交配時，它們才會根據需要，從成體組織的幹細胞中發育出生殖細胞或配子。

為何有此差異？倫敦大學學院的生物化學家Nick Lane認為，較為複雜的動物之所以形成專門的生殖細胞系，是為了維持其線粒體的質量。線粒體是細胞中專門製造能量的結構，它們位於細胞核外部，並擁有自己的基因。

突變之困

在12月20日發表的數學模型中，Lane及合作者展示了他們的論據。團隊認為，人類和其他複雜動物面臨的問題是，在不斷成長的過程中，如果一些成體細胞在轉變成配子之前可以不斷分裂，那麼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，導致後代組織質量低下，而在早期就產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：經歷一定的突變對線粒體是有益的。突變是演化的動力，讓優勢線粒體基因型得以出現。因此，由反覆複製的成體細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，最終改善線粒體質量。

擁有生殖細胞系的優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？

演化博弈

Lane及同事在PLoS Biology期刊中發表了自己設計的模型，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。

在較為複雜的動物中，線粒體基因複製錯誤率相對較高。在這種情況下，最好的解決方案是通過有限的細胞分裂形成雌配子前體，產生遠遠多於需求的生殖細胞系細胞，然後剔除其中大部分，形成隨機選擇出的變異體。這一過程被稱為閉鎖，在包括人類在內的許多生物體中都存在，但其功能一直讓科學家們感到不解。

一旦獲得了一群差異適當的雌配子，進一步的細胞分裂便會停止，以避免在發育後期積累過多的線粒體突變。這類突變在精子中確實會累積，因為精子比卵子經歷的細胞分裂要多得多。但這沒有關係，因為卵子受精後，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，線粒體基因複製的錯誤率很低。在這種情況下，避免線粒體基因複製的需求也有所下降。因此，配子在發育後期形成，這樣就能獲得遺傳變異的優勢，而不必面臨線粒體質量不佳的風險。

但是，複製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——從過濾性攝食變為移動捕食，有氧活動也隨之增加，氧氣需求因此擴大，需要在細胞中存儲更多的線粒體，從而造成複製錯誤率上升。

測試困難

英國伯明翰大學的生物數學家Iain Johnston說，這項新研究「發人深思」。「他們的說法合理而富有創造性。」但他指出，即使在同一物種內，線粒體DNA複製的錯誤率也不是既定的，而會在選擇壓力下發生改變。

Lane表示，他們的模型可以解釋有性生殖的多個不同方面，但要檢驗模型卻不容易。「沒有什麼實驗能為自然史上範圍如此廣博的過程提供見解，」他說。「只有理論和建模才有希望對其做出檢驗。」

但Johnston說這個模型部分可證，而且至少是可證偽的。「如果發現了某種線粒體DNA複製錯誤率高但沒有生殖細胞系，或複製錯誤率低但有生殖細胞系的生物，就為推翻這個理論提供了證據，」他說。

Lane補充表示，該模型應該也能用於預測閉鎖和配子間線粒體差異的關係，這些預測可與實際生物體的數據進行對比檢驗。

Nature|doi:10.1038/nature.2016.21218