為什麼還用不上時，人類就準備好了生殖細胞｜Nature 自然科研

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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。

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

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。

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Nature|doi

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10.1038/nature.2016.21218

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。

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