《细胞》:精子这也太厉害了!科学家发现,为了保持稳定遗传,精子竟然启动最大功率扫描基因组,修复DNA | 科学大发现

本文作者 | 代丝雨

总有一些科学发现,会令人不禁感叹,生命的构造真是奇妙又精美。近期顶级期刊《细胞》杂志刊登的论文就给我们带来了这样一项发现[1]。

纽约大学朗格健康学院的科研团队通过单细胞测序发现,精子中高达九成的基因处于活跃的转录中,并通过这一程序来修复DNA损伤,减少突变。可以说,精子细胞的转录水平远远高于其他细胞,正是一种为了保持遗传稳定的“自我检查”

更神奇的是,剩余的10%基因也不是“弃子”,这部分基因多与免疫、感觉功能相关,更高的突变速率能够帮助机体在面对外界不同环境时尽快适应

这简直就是冥冥有天意,生命真神奇啊~

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研究登上当期《细胞》封面

其实生殖细胞的特殊之处,很早就有科学家发现了。我们知道,人体内的每个细胞其实都含有这个人的全部基因信息,但是却不是所有的基因都会在同一时间表达,但是睾丸却表现得异常鹤立鸡群,超过80%的编码基因都是处于转录中的[2]。

事出反常必有妖,睾丸如此这般是为啥?科学家们也提出了一些假设来试图解释。最初的假设很直观:转录,说明功能有需要嘛。

但是细一想,这事儿不对,主要证据有三。一,人体这么多器官,要说功能和结构复杂,没谁能够比过大脑,可就算大脑表达基因的比例也没有这么高[3];二,有许多研究表明,就算敲除睾丸中高表达的部分基因,雄性小鼠照样能够生儿育女[4];三,对比转录组和蛋白质组,结果并不一致,也就是说高转录的基因并没有都翻译成为有功能的蛋白质[5]。

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精子的发育

可见这些基因,表达出来还真的没有什么特殊用处。

另外一种假说则认为,由于精子形成涉及大规模的染色质重构,我们所观察到的转录其实是染色质重构造成的一种“泄漏”。不过这个假说也有些站不住,因为按照这个理论,在精子形成的后期应当表达水平比早期还高,但是真实情况却是完全相反的[6]。再说了,转录需要的能量可是非常多的,细胞也不傻,不会做这种无用功。

今天要说的这项研究则提出了一个全新的理论,科学家们把它命名为“转录扫描(transcriptional scanning)”。简单来说,大规模的转录其实是为了利用转录过程所附带的“转录耦合修复(TCR)”,系统地检测和修复DNA损伤,避免基因突变,保持遗传稳定

研究者利用单细胞测序技术分析了人类和小鼠的睾丸细胞,分析结果表明,精子中编码基因的表达比例竟然高达90.5%。与此相对的,其他的体细胞表达比例仅有59.9%

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基因表达比例

这个现象肯定不寻常,研究者们想到了两种后果:要么,高水平转录导致突变增加,以致基因的多样性增加;要么,伴随转录的修复增加,降低基因突变率,以致基因组更稳定。

与公开的数据库对比之后,研究者发现,后者才是正确答案。与不表达的基因相比,那些积极转录的基因突变数量要少得多,部分类别甚至能降低20%以上。

显然,这种大规模转录事实上构成了对基因组的保护。

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表达的基因反而突变更少

那么还有10%的没有转录的基因呢?

研究者分析了这部分基因的功能,发现主要涉及环境感知、免疫系统、防御反应等功能,而这些基因本身在人类的基因组中的进化速度就更快[7]。可以猜想,这部分基因在精子中不表达,可能有助于加速它们的进化。

这样看来,精子的高转录现象真是对进化速率的一次精巧调节,我们的生命简直太神奇辣~

编辑神叨叨

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参考资料:

[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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