在一項新的研究中，來自美國紐約大學等研究機構的研究人員發現精細胞(即精子)在成熟過程中開啟它們的大多數基因，而不是像通常那樣遵循它們的遺傳指令，而是在將DNA傳遞給下一代之前對它進行修複。相關研究結果發表在2020年1月23日的Cell期刊上，論文標題為“Widespread Transcriptional Scanning in the Testis Modulates Gene Evolution Rates”。

        這項研究著重關注生物學的一個奧秘：人精細胞激活的基因數量是迄今為止最多的(90%)，這種模式也在小鼠、鳥類和果蠅等其他物種中觀察到。大多數器官中的細胞表達大約60%的遺傳密碼，或僅表達某種細胞類型完成它的特定任務所需的一部分基因。

        論文通訊作者、紐約大學朗格尼健康學院(NYU Langone Health)計算醫學研究所的Itai Yanai博士說，“如今看來，很明顯，精子在發育過程中會激活更多的基因，這樣做會讓它們經曆DNA修複過程，並保護即將傳遞給後代的遺傳信息的完整性。”

        Yanai補充說，“我們還發現，精子中的這種修複過程在被激活或轉錄的基因中具有較低的活性。這支持了一種觀點，即進化將轉錄頻率作為一種杠杆，調高它可保存某些基因中的DNA密碼，但是調低它能夠讓有助於生存的DNA密碼變化發生。”

        未被激活、未被修複且未在精子中積累變化的基因的一個例子是那些與免疫有關的基因，如果身體要識別和攻擊不斷變化的細菌和病毒入侵者，這些基因必須不斷進化。

        為了開展這項新的研究，這些研究人員在單細胞分辨率下分析了精子成熟過程中的基因表達模式。他們首先從自願的誌願者那裏采集了人體睾丸組織的樣本。隨後，通過使用微流體技術，他們將樣本中的所有細胞通過一個大小恰好足以讓它們依次流過的試管。

        在這個試管中，每個細胞被推入它自己的水滴中，每個水滴的作用就像一個微型試管，酶打開每個水滴中的細胞，然後將細胞特異性條形碼附著到每個發生轉錄的遺傳物質片段上。這些被標記的轉錄本用於構建在精子成熟過程中的每個時間點哪些基因被開啟的圖譜。他們隨後將這些發現與人群數據庫中已知的DNA變異進行了交叉比對，以估計給定基因中的修複發生頻率。

        令人吃驚的是，這些研究人員發現，即使在精細胞發育過程中被激活幾次的基因包含的DNA密碼錯誤也要比未表達的基因少15%至20%，而這種差異歸因於轉錄偶聯修複(transcription-coupled repair, TCR)。在轉錄期間，這個過程將在有缺陷的DNA片段包含的指令被轉換為RNA之前將其替換掉。RNA轉錄本隨後經表達後產生構成細胞結構和信號的蛋白。

        包括轉錄在內的細胞過程以及環境中的有毒物質不斷地誘導DNA鏈發生錯誤，而TCR移除一些發生變化的DNA密碼。這些研究人員表示，不同之處在於精細胞似乎將TCR應用於比正常情形下更多的基因上，隨後在蛋白產生之前通過未知的機製阻斷基因表達。

        接下來，這些研究人員將尋求確認精子來源的遺傳變化是否在精子成熟期間未表達的基因中更頻繁發生。

        這可能會揭示出許多與年老父親的精子變化有關的遺傳疾病的原因。已知男性生殖細胞會在一生當中發生分裂和增殖，每次發生時都會引入錯誤。這些研究人員說，這可能為精子中獨特的廣泛掃描的存在提供了理論依據，這是因為每名女性子宮裏接受的卵細胞在她的餘生中不會發生增殖。

        此外，這些研究人員將確定大腦中也表達大量基因的細胞是否像精細胞一樣使用“轉錄掃描”，以及隨著年齡的增長，這種掃描失敗是否會增加神經退行性疾病的風險。胚胎幹細胞還顯示出高轉錄、低突變的特征，這可能表明它們在發育過程中也存在這種掃描。