新研究发现：一些精子竟然通过“毒害”同类成为优胜者...
在哺乳动物受精的角逐过程中，数以百万计的精子就如同沙场上的千军万马一样，在冲向卵子的过程中“过五关，斩六将”，最后拼尽全力的获胜精子独得卵子青睐。但是，最终的胜者精子靠的是运气吗？很多研究已经表明，个体精子之间的竞争力是不同的。而且，有的精子竟然还能“携带毒药”......
北京时间2月5日，发表在《PLoS Genetics》上的一项新研究中，来自德国马克斯普朗克分子遗传学研究所（MPG）的科学家发表了题为“RAC1 controls progressive movement and competitiveness of mammalian spermatozoa”的文章，描述了被称为“t-单倍体型”的遗传因子是如何促进携带它的精子受精成功。他们首次通过小鼠实验表明，具有t-单倍型的精子比“正常”精子向前运动能力更强，从而确立其在受精方面的优势。
哺乳动物的精子运动极为复杂。精子向前运动需要驱动力和转向。已知向前运动主要由外动力蛋白臂（ODA）控制，而内动力蛋白臂（IDA）控制鞭毛弯曲的形成和传递。然而，ODA和IDA的活性如何协调，使精子定向运动到卵子仍然是个谜。
在受精过程中，精子为了先到达卵子而相互竞争。尽管孟德尔遗传学预测所有参与“受精竞赛”的精子都有相同的成功机会，但在哺乳动物中有一个典型的例子打破了该定律，即小鼠的t-单倍体型。
t-单倍体型是17号染色体上约40Mb的遗传变异区域，编码导致等位基因遗传率偏差的因子。
在这项研究中，研究人员对小鼠单个精子进行了分析，发现大多数在其路径上向前运动缓慢的精子在遗传上都是“正常的”；而具有快速直线向前运动能力的精子大多是t-单倍型“选手”，它们还被称为RAC1的蛋白质提供能量。研究人员发现，RAC1是推动精子向前运动的分子开关，也就是说，它控制着雄性的生育能力。已知RAC1通过激活其他蛋白将信号从细胞外传递到细胞内，并参与引导白细胞或癌细胞向释放化学信号的细胞转移。
研究人员在生理水平上研究了RAC1在小鼠精子运动中的作用。结果表明，RAC1活性的增强和降低均会损害精子的向前运动。在精子群体中，具有RAC1活性平衡的精子在冲向卵细胞的竞争中具有优势。因此，RAC1在控制精子的活性和竞争力中起着至关重要的作用。
视频来源：MPG
研究人员还发现，t-单倍体型精子中包含了某些干扰调控信号的基因突变。这些突变是在精子发生的早期阶段建立的，并分布到携带t-单倍体型小鼠的精子中。这些突变恰恰是干扰精子运动的“毒药”。
该研究通讯作者、马克斯普朗克分子遗传学研究所的Bernhard Herrmann说：“具有t-单倍体型的精子会设法使没有这种遗传因子的精子失去功能。诀窍在于，t-单倍体会‘毒害’所有精子，但同时又产生一种只对自身起保护作用的‘解毒剂’。想象一下，在一场马拉松比赛中，所有参赛者都饮用了有毒的水，但有些人还服用了解毒剂。”
t-单倍型“选手”让竞争者原地绕圈，它却直达卵子
“解毒剂”是在减数分裂后发挥作用的（此时精原细胞只携带一半染色体）。只有一半具有t-单倍体型的精子产生了这种“解毒剂”，可以逆转“毒药”带来的负面影响。这种保护因子只保留在t-单倍体型精子中。
研究人员观察到，在两条染色体中只有一条上有t-单倍体型的小鼠精子中，一些会向前运动，而另一些则几乎一动不动。他们对单个精子进行了测试，发现遗传上“正常”的精子大多是不能直线运动的。当他们用一种RAC1抑制剂处理混合精子时发现，遗传“正常”的精子此时也能逐渐游动；而t-单倍型精子的优势却消失了。这表明异常的RAC1活性会扰乱精子活性。
这一结果解释了为什么具有两个t-单倍体型拷贝的雄性小鼠（17号染色体上各有一个）通常不育。研究人员发现，这些精子的RAC1活性水平要比遗传正常小鼠的高得多，而且几乎没有运动能力。他们还发现，用RAC1抑制剂治疗的正常小鼠的精子也失去了向前运动的能力。因此，太低的RAC1活性也是不利的。研究人员推测，异常的RAC1活性也可能是男性不育的潜在原因。
该研究结果强调了一个事实，即精子相互之间是无情的竞争对手。此外，t-单倍体型的例子说明了遗传因素可以帮助单个精子在生命竞赛中具有优势，从而促进特定基因变异向下一代传递。
论文链接：
https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009308