生孩子可以从精子开始检测性别?日本科学家发明鉴定精子新方法,或改变生育法则

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  有性生殖中,雄性一方会提供带有两种性染色体的精子。而按照遗传逻辑,卵子获得X和Y染色体的几率应该是一样的,因此后代雌雄比也会维持在1:1左右。

  但是,自然界并不会完全遵循1:1的规则,而现在日本广岛大学的科学家,也已经找到了快速分离两类精子的方法。通过该方法选择精子并进行授精后,可以让后代90%都是雄性。

  从遗传学的角度来说,男性的精原细胞会通过减数分裂形成精子,X染色体和Y染色体也会平均地分配到精子中,因此后代的性别也应该是随机的,雌雄比维持在1:1的比例。不过,生物界并没有一直恪守这一准则。

  性别选择并不罕见

  在2013年,科学家就首次观测到哺乳动物是可以自己选择后代性别的。

  在在一项发表于 PLoS One 的研究中,斯坦福大学领导的研究团队分析了圣地亚哥动物园长达90年的动物繁育记录,研究范围涉及678种哺乳动物,包括灵长类、食肉类动物如熊和狮子、食草类动物如牛和鹿,最终确定研究中的哺乳动物都拥有这种性别选择的行为。

  

  这项研究指出,性别选择的行为可以给哺乳动物带来更多的后代,比如在这项研究中,当祖母辈不按1:1的雌雄比生育,而产生更多的雄性后代时,到了孙辈,它们的后代数目平均是按正常比例生育的2.7倍。

  不过,这种选择策略完全掌控在雌性身上,当时该研究的主要作者Joseph Garner表示,想要做到这一点只需要控制好精子的输送过程就行。

  他认为雌性能够调控自己的生殖道环境,从而选择性地让带X染色体或者Y染色体的精子(后简称X精子、Y精子)加速到达输卵管、与卵子结合。当时的研究对动物是如何选择精子的机制并不太清楚,不过他们推测人类也会通过外界的环境因素获得这种能力,来改变性别比例。

  抛开自然层面的性别选择,对于人类来说,人工自行选择胎儿性别是有违伦道德和法律的。但是对于有性别选择遗传疾病的家庭来说,通过正规的医学手段提前筛选精子,无疑是规避疾病风险的重要手段(当然,现在仍有国家不接受任何原因的后代性别选择行为)。

  现存的辅助生育技术(ARTs)、授精前的基因诊断(PGD)或者精子细胞分选,都能为临床的性别选择提供技术支持,不过都比较昂贵。

  X和Y带来的差异

  在2017年,南非斯坦陵布什大学的研究者提出,X精子与Y精子的移动性和生理特性并不完全一样。在他们的实验中,通过改变溶液的pH值就能实现X精子和Y精子的分离,原因就在于Y精子对外界环境更加敏感。

  在酸性环境、温度升高和氧化压力升高的条件下,Y精子的移动性会迅速下降。而相反,碱性环境下X精子的移动性会大打折扣。

  这暗示着,通过控制精子的移动能力就能分离两类精子,人工选择后代性别。当然,无论是哪种方法,前提都是不能够影响精子的活性和生育能力。

  X染色体和Y染色体最大的区别在于染色体长度:Y染色体编码的基因数量不超过700个,而X染色体则负责编码超过3000个基因。显然,基因在X精子和Y精子的生理学特性中扮演了重要角色。

  

  比如TAZ蛋白,一种受外界环境刺激的转录调控因子;XIAP蛋白,可以抑制细胞凋亡的蛋白;G6PDX,联系着特殊的生化通路,这三种蛋白都是受X染色体相关的基因编码,而Y染色体则没有。因此X精子的稳态调节方式和精子细胞功能必然与Y精子有很大区别。

  广岛大学的岛田昌之长期研究性染色体带给精子的差异,他在2011年已经发现精子会特异表达Tol样受体蛋白,并且与特定配体相结合。他曾推测,X和Y染色体会编码不同的环境监测蛋白,来应对和处理不同的环境,从而影响精子的移动性。研究人员只要找出这些监测蛋白是哪些就可以了。

  为后代选择性别

  在最新发表在 PLoS biology 上的新研究中,岛田把这个移动性开关锁定在了Tol样受体编码基因上。为了能够区分X精子和Y精子,他首先找到了只在X染色体上表达的500多个基因,并且挑选出了18个编码受体的基因,这一步是为了找到靶标,能够通过外界添加化合物来发挥作用。

  在这些候选者中,TLR7和TLR8引起了他的注意。因为这个家族中的TLR2和TLR4可以在人类的精子中检测到,并且在添加这两个蛋白配体的情况下,可以降低精子的存活率、移动率,并抑制精子获能能力。

  

  ▲ TLR7和TLR8只会特异地在含有X染色体的精子中表达

  岛田挑选了针对TLR7和TLR8的配体(R848和R837),并将它们加入了含有精子的缓冲液中。一般来说,培养在缓冲液中的活跃精子都会拼命地向上层游动,这也是精子移动能力的体现。不过,当两种配体添加至溶液后,上层的精子数量开始显著减少。

  为了验证经过这种简单处理后的精子是否仍然具有生殖能力,岛田分别收集了上层和下层溶液的精子,并在小鼠中进行人工授精。与对照组未处理的精子相比,这两批实验组的精子在受精卵和胚胎形成过程中都没有差异。

  而在新生小鼠中,如果使用的是上层溶液中提取的快速游动型精子,那么后代90%都是雄性,而如果使用的是下层移动受限的精子,那么后代则81%是雌性。

  这种新方法可以非常迅速地筛选分离两类精子,根据文献描述,即使是在最低有效剂量条件下,也只需要1小时就能有效将X精子的移动性降到最低。相比现有的分离技术也更加安全,不会损伤精子的活性和繁殖能力。

  现在两种常见的授精方式,试管授精(在培养皿中生成受精卵)和人工授精(向雌性生殖道中移植精子),该方法都能很好地发挥作用。

  不过,现在的技术研发目的是为了理解性染色体在精子中起到了何种作用,岛田表示,“这些性染色体差异性表达的基因可以让我们更好地分离两类精子,这对于动物和家畜的种群选择繁衍很有意义,”但是他也指出,现阶段还不能够在人类生殖中使用该方法,在广泛应用前还有许多伦理审核工作要做。

  作者:杨心舟
编辑:朱颖婕 陈曦(实习生)
责任编辑:张鹏

  来源:环球科学

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