动物和植物以非常不同的方式为性行为准备它们的细胞——但没有人知道为什么。英国研究人员团队现在认为他们已经解开了这个谜题。
人类和动物在性行为发生之前很久就为性行为做准备。在生命的最早期阶段，在胚胎中，我们的生殖细胞开始发育。这些细胞将继续形成精子和卵子，染色体数量只有通常的一半。在雌性中，卵子被预留并保持在停滞发育状态，直到需要时才使用。青春期后，雄性在其一生中持续产生精子，但专门的生殖系在早期就已创建，精子由此产生。
但是珊瑚、海绵和植物没有这样的细胞计划。它们最初只发育体细胞，每个细胞都具有全套染色体。当交配时机到来时，它们会根据需要产生性细胞或配子，通过从成体组织的干细胞中形成它们。
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为什么会有这种差异？伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩认为，更复杂的动物会创建一个专门的生殖系来保持其线粒体的质量——线粒体是细胞中专门产生能量的结构，位于细胞核外部，并具有自己的基因。
突变难题
在 12 月 20 日发表的数学模型中，莱恩和他的同事阐述了他们的论点。该团队认为，对于人类和其他复杂动物来说，问题在于，如果允许成体细胞在一个生长中的生物体中反复分裂，然后其中一些细胞转化为配子，那么它们的线粒体将迅速积累基因突变和错误。一些配子可能会获得高负荷的这些突变线粒体，导致后代组织质量低下。尽早产生所需的所有卵子可以避免这个问题。
先前已经有人提出过在静止卵子中“保护”线粒体 DNA 的想法。但是，这种观点存在一个问题：某些突变对我们的线粒体有益。突变是进化的引擎，使有利的线粒体基因型得以产生。由反复复制的成体细胞制成的配子因此可能具有有用的变异。进化可以保留“好的”突变并消除“坏的”突变，最终提高线粒体质量。
拥有生殖系的好处和缺点之间存在微妙的平衡。如何在配子之间获得足够的变异以供进化发挥作用，又不会积累会损害由这些配子组成的生物体的突变？
进化赌博
莱恩及其同事设计的模型，在PLoS 生物学中报道，为各种生物体为何找到不同的折衷方案提供了可能的解释。
在更复杂的动物中，线粒体基因复制的错误率相对较高。在这种情况下，最好的解决方案是进行有限的细胞分裂爆发，以形成雌性配子前体，产生比所需数量多得多的生殖系细胞，然后剔除其中大部分，以产生变异体的随机选择。这个过程称为闭锁卵泡，在包括人类在内的许多生物体中都存在，但其功能一直让科学家感到困惑。
一旦获得了种类繁多的雌性配子群体，就会停止进一步分裂，以免冒着在后期发育中积累过多线粒体突变的风险。这种突变确实会在精子中积累，精子经历的细胞分裂轮次比卵子多得多。但这无关紧要，因为它们的线粒体在卵子受精时会被抛弃，因此不会传递给下一代。
但在植物和“基础”动物（如珊瑚和海绵）中，线粒体基因复制的错误率非常低。在这种情况下，避免复制线粒体基因的需求较少，因此配子在发育后期形成，在不冒线粒体质量差的风险的情况下，获得遗传变异的好处。
为什么首先会存在复制错误率的差异仍然是一个谜。这可能是因为早期动物多样化时，摄食策略的变化——从滤食性到移动捕食——推动了有氧活动的增加，需要更多的氧气，因此需要将更多的线粒体装入细胞中，从而提高了复制的错误率。
测试困难
英国伯明翰大学的生物数学家伊恩·约翰斯顿说，这项新工作是“一项发人深省的研究”。“他们的案例是合理的，而且相当有创意。”但他指出，线粒体 DNA 复制的错误率，即使在同一物种内，也不是给定的——它也会在选择压力的作用下发生变化。
莱恩说，该模型解释了有性繁殖的几个不同方面，但测试它将具有挑战性。“没有可能的实验可以深入了解如此广泛的自然历史，”他说。“只有理论和建模才有可能解决这个问题。”
然而，约翰斯顿说，该模型部分是可测试的，至少是可证伪的。“发现一种具有高复制错误率但没有隔离生殖系的生物体——或者一种具有低错误率但隔离了生殖系的生物体——将提供与该理论相悖的证据，”他说。
莱恩补充说，还应该可以使用该模型来生成关于闭锁卵泡与配子之间线粒体变异之间关系的预测。然后可以将这些预测与来自真实生物体的数据进行核对。
本文经许可转载，并于 首次发表 于 2016 年 12 月 20 日。