客观日本

生男生女人为可控?广岛大学发现控制哺乳动物性别的简便方法

2019年08月29日 生物医药

广岛大学大学院综合生命科学研究科的岛田昌之教授、梅原崇助教以及辻田菜摘研究员等组成的研究团队,发现小鼠在精子形成过程中性染色体(X染色体和Y染色体)的分布差异,导致了拥有X性染色体的精子(X型精子)和拥有Y性染色体的精子(Y型精子)在细胞机能上的差异[1]。

已知Toll样受体蛋白TLR7和TLR8的编码基因位于X性染色体,所以TLR7和TLR8两个蛋白只在X型精子细胞内表达而Y型精子则没有。当通过外在药物激活TLR7和TLR8两个蛋白,X型精子和Y型精子被轻而易举地区分开来。TLR7和TLR8同样也仅在牛和猪的一半精子内表达,研究团队采用同样药物对二者进行刺激,成功简便地控制了牛和猪生产的后代性别。

其中小鼠动物实验部分的研究成果已经在线发表于2019年8月13日的《PLOS Biology》上[文献1]。本研究成果已经就“哺乳动物的精子分离方法、人工授精方法及体外受精方法”部分提交专利申请,编号No. 2018-120260。

雌雄性别是生物界最普遍、最引人注意的生命现象之一。越是高等生物,雌雄间的外在差异越是明显。而性别决定(Sex Determination)可以说是一个既简单又复杂的问题。现代生物学都已普遍认同性别由性染色体倍数、等位基因、XY型/ZW型/XO型/ZO型模式等基因层面决定,但在某些低等生物也发现会受时间(黄鳝)、温度(龟类)、光照(扬子鳄)或营养状况(线虫)等环境条件影响,有时也会出现性反转现象(鸡、剑尾鱼)。另外,全世界或者各地区的男女比例也并非完全的1:1而呈现规律性的一定偏差。

雄性哺乳动物的生殖细胞精子,是由精母细胞在睾丸内经过减数分裂而成,所以会存在常染色体加X性染色体和常染色体加Y性染色体两种类型的精子(图1)。当受精时,和卵细胞(仅有X性染色体)分别配对形成XX雌性或XY雄性,这种性别决定模式称为XY型。

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图1 精子发生过程图示 (图:Schoolbag.info)

小鼠的X性染色体上存在3000个以上的基因,包括精子形成必需的基因。但一般认为,在精母细胞最终分裂成X型精子和Y型精子之前,通过桥型结构共享了两个精细胞的信使RNA以及表达的蛋白质,所以消除了X性染色体有无带来的X型精子与Y型精子二者之间的机能差异。两类精子本身最初形成的数量对等,二者之间的运动机能差异又被消除,因此大多数哺乳类动物最终出生的雌雄比例也都基本符合理论推算值1:1。

本研究团队对精细胞间桥型结构消失以后的精子发生后期才开始表达的蛋白进行了详细解析调研,希望从X性染色体上编码的蛋白入手,阐明X型精子和Y型精子间的机能差异,并实现人工调控。因此,研究团队以小鼠精子作为试验样品,运用第二代测序技术对全RNA组进行了测序,并有意关注了在精子发生后期表达并且在精子中保留的蛋白基因。小鼠精子中X性染色体由来的残存基因一共发现492个,再根据表达时期以及能否通过药物外在调控两个方面进行2段筛选,最终瞄上了Toll样受体蛋白TLR7和TLR8的编码基因Tlr7和Tlr8。

Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)的基因最初因为与发育相关而被发现,近二十年来作为参与非特异性免疫(天然免疫)的一类重要蛋白质分子被重点研究,被视作连接非特异性免疫和特异性免疫的桥梁。TLR是单个的跨膜非催化性蛋白质,可以识别微生物等的具有保守结构的分子。TLR7和TLR8也同样是RNA病毒的识别受体。当病毒等微生物突破皮肤、粘膜等机体物理屏障时,TLR即可识别它们并激活机体产生免疫细胞应答。

精子是由包含细胞核的头部、储存大量能产生三磷酸腺苷(ATP)能量的线粒体的中部,以及控制精子运动的尾部组成(图2)。通过免疫染色法或者Immuno-FiSH法可以检验TLR7和TLR8蛋白是否表达。实验发现,只有在减数分裂结束后的含有X染色体的精细胞最终快形成成熟精子时才表达,在成熟X型精子中TLR7主要分布在尾部,TLR8则分布在中部。

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图2 精子结构示意图 (图:Lifeeasy Biology)

当使用作用于TLR7和TLR8两个受体的特定药物来处理精子后,只有X型精子的无氧糖酵解途径(将葡萄糖转变为能量)的抑制,因此ATP合成量大幅降低,精子运动停止从而失去受精竞争能力。本研究中利用TLR7和TLR8的合成配体来让精子失能静止的效用是可逆,即当把配体药物洗净后,精子又可以重新恢复活力。

本研究推翻了X型精子与Y型精子不存在生物机能差异的假说,在一定的生理或外在环境压力下(本研究中为当RNA病毒感染个体时激活Toll样受体系统)可能会造成雌雄比例的变化。

实际上,研究团队也正是基于上述理论,将药物处理后的精子上清部分(Y型精子)和沉淀部分(X型精子)分别收集(图3),继而通过体外受精分别获得了80%以上的雄性和雌性出生率。也就是说,基于X型精子和Y型精子潜在生物机能的不同,确实可以通过一定的人为介入而控制出生后代的性别。

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图3 利用药物处理后Y型精子和X型精子呈现机能差异化

在现代畜牧业,奶牛或肉牛的养殖中性别控制已经实用化,但是需要用到昂贵的细胞分离器,而且由于效率比较低、耗时比较长,最终导致使用前精子质量不理想。也由于这个原因,对于人工授精时需要注入大量精液的猪无法实现性别控制。而本研究中建立的新技术,不需要什么特别昂贵的复杂仪器就可以在短时间内实现X型精子和Y型精子的大量分离,畜牧业中具有良好应用前景。

另外,就本次TLR7和TLR8为靶点的技术而言,原则上包括老鼠、猫、狗、牛、猪、猩猩和人等所有XY型的动物都可以实现性别控制。只不过对于人类来说,当技术不再是问题的时候,伦理却仍然还是一个需要敬畏的问题。

一般认为,哺乳动物的性别主要由X染色体和Y染色体的组合形式来决定的,环境对性别的决定几乎没有影响。所以,至少到目前为止,所有试图在备孕期间改变血压、饮食、所谓“酸碱体质”或打破激素平衡,受孕时采用碱性液体或各类网售胶液冲洗,怀孕期间继续服用各类“转胎药” 、“生子方”来控制生男生女的,都没有任何科学实证依据。而且上述行为可能会让孕妇和胎儿承担极大的健康风险,严重的可能会致畸、出现阴阳人或死亡。

顺便在此指出,近几年日本代购炒作的某日本诊所出品的生男孩神药林卡尔钙片,不论其日文网站介绍的原材料由几年前的牛骨改为现在的鱼骨,还是国内产品说明书中列出的成分(乳糖、还原麦芽糖水饴、磷酸氢钙、碳酸钙、氢氧化钙及铁质、果汁粉末),其本质还是钙片。所谓具有调控生男孩的功效,目前未见其有任何严谨的科学文章发表。

供稿 宋傑 东京大学博士
图除特别注释外均取自日文新闻发布稿
编辑修改 JST客观日本编辑部

相关文献:
1.梅原 崇、辻田 菜摘、島田 昌之. Activation of Toll-like receptor 7/8 encoded by the X chromosome alters sperm motility and provides a novel simple technology for sexing sperm. PLOS Biology. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000398

相关链接:
1. 广岛大学官方新闻稿

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