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日本科学家发明鉴定精子“性别”的新方法，或改变生育法则

来源：萌宠菠菠乐园时间：2024-10-25 17:00

来源：微信公众号“环球科学”

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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。

撰文丨杨心舟

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。

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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。

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图片来源：CC0 Public Domain

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。

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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。经过计算机分析，这些还留在上层的精子大部分都含有Y染色体，而X精子则从上层溶液中大面积地消失了。

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。

论文地址：

Activation of Toll-like receptor 7/8 encoded by the X chromosome alters sperm motility and provides a novel simple technology for sexing sperm

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