《細胞》：精子這也太厲害了！科學家發現，為了保持穩定遺傳，精子竟然啟動最大功率掃描基因組，修復DNA | 科學大發現

總有一些科學發現，會令人不禁感嘆，生命的構造真是奇妙又精美。近期頂級期刊《細胞》雜誌刊登的論文就給我們帶來了這樣一項發現[1]。

紐約大學朗格健康學院的科研團隊通過單細胞測序發現，精子中高達九成的基因處於活躍的轉錄中，並通過這一程序來修復DNA損傷，減少突變。可以說，精子細胞的轉錄水平遠遠高於其他細胞，正是一種為了保持遺傳穩定的「自我檢查」。

更神奇的是，剩餘的10%基因也不是「棄子」，這部分基因多與免疫、感覺功能相幹，更高的突變速率能夠幫助機體在面對外界不同環境時盡快適應。

這簡直就是冥冥有天意，生命真神奇啊~

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研究登上當期《細胞》封面

其實生殖細胞的特殊之處，很早就有科學家發現了。我們知道，人體內的每個細胞其實都含有這個人的全部基因資訊，但是卻不是所有的基因都會在同一時間表達，但是睪丸卻表現得異常佼佼不群，超過80%的編碼基因都是處於轉錄中的[2]。

事出反常必有妖，睪丸如此這般是為什麼？科學家們也提出了一些假設來試圖解釋。最初的假設很直觀：轉錄，說明功能有需要嘛。

但是細一想，這事兒不對，主要證據有三。一，人體這麼多器官，要說功能和結構龐雜，沒誰能夠比過大腦，可就算大腦表達基因的比例也沒有這麼高[3]；二，有許多研究表明，就算敲除睪丸中高表達的部分基因，雄性小鼠照樣能夠生兒育女[4]；三，對比轉錄組和蛋白質組，結果並不一致，也就是說高轉錄的基因並沒有都翻譯成為有功能的蛋白質[5]。

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精子的發育

可見這些基因，表達出來還真的沒有什麼特殊用處。

另外一種假說則認為，由於精子形成涉及大規模的染色質重構，我們所觀察到的轉錄其實是染色質重構造成的一種「泄漏」。不過這個假說也有些站不住，因為按照這個理論，在精子形成的後期應當表達水平比早期還高，但是真實情況卻是完全相反的[6]。再說了，轉錄需要的能量可是非常多的，細胞也不傻，不會做這種無用功。

今天要說的這項研究則提出了一個全新的理論，科學家們把它命名為「轉錄掃描（transcriptional scanning）」。簡單來說，大規模的轉錄其實是為了利用轉錄過程所附帶的「轉錄耦合修復（TCR）」，系統地檢測和修復DNA損傷，避免基因突變，保持遺傳穩定。

研究者利用單細胞測序技術分析了人類和小鼠的睪丸細胞，分析結果表明，精子中編碼基因的表達比例竟然高達90.5%。與此相對的，其他的體細胞表達比例僅有59.9%。

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基因表達比例

這個現象肯定不尋常，研究者們想到了兩種後果：要麼，高水平轉錄導致突變增加，以致基因的多樣性增加；要麼，伴隨轉錄的修復增加，降低基因突變率，以致基因組更穩定。

與公開的資料庫對比之後，研究者發現，後者才是正確答案。與不表達的基因相比，那些積極轉錄的基因突變數量要少得多，部分類別甚至能降低20%以上。

顯然，這種大規模轉錄事實上構成了對基因組的保護。

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表達的基因反而突變更少

那麼還有10%的沒有轉錄的基因呢？

研究者分析了這部分基因的功能，發現主要涉及環境感知、免疫系統、防禦反應等功能，而這些基因本身在人類的基因組中的進化速度就更快[7]。可以猜想，這部分基因在精子中不表達，可能有助於加速它們的進化。

這樣看來，精子的高轉錄現象真是對進化速率的一次精巧調節，我們的生命簡直太神奇辣~

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參考資料：

[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] 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.

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本文作者 | 代絲雨

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