精子基因組揭示的生命奧秘

王曉冰

正常男性一次排精量為1～5毫升，每毫升里含有生命種子——精子2000萬～6000萬個(gè)，所以世界衛(wèi)生組織把一次排精的正常精子應(yīng)超過2000萬/毫升視為正常男性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

但是，現(xiàn)在男性的精子數(shù)量和質(zhì)量都在下降，精子的基因也會(huì)發(fā)生缺陷，這一切是如何發(fā)生的呢？精子基因組測序和其他一些新的研究揭開了精子的一些奧秘。

91個(gè)精子基因組的故事

今天，研究人員廣泛認(rèn)為，精子基因組蘊(yùn)藏著精子所有奧秘，因此，對(duì)精子的全基因組測序正成為一個(gè)重要的研究課題。

2012年7月美國斯坦福大學(xué)的史蒂芬·夸克等人公布了他們對(duì)一名40歲美國男子的91個(gè)精子全基因組測序的結(jié)果。雖然這名男子的精子是正常的，但是在比較了這名男性的精子基因組序列后，研究人員還是發(fā)現(xiàn)了精子的基因組中有一些地方發(fā)生了重組，并且在這名男子的每個(gè)精子的基因組中鑒定出25～36個(gè)新的單核苷酸（基因）突變。不過，令人驚奇的是，這些基因突變?cè)谶@名男性的二倍體細(xì)胞基因組中并不存在。

單倍體、二倍體或多倍體是指細(xì)胞中有幾套染色體。單倍體就是細(xì)胞內(nèi)只有一套染色體；二倍體則是有兩套染色體，多倍體則是有三套或者更多套染色體。由于人的細(xì)胞染色體數(shù)目是23個(gè)，所以單倍體就指有23條染色體，二倍體就是有23對(duì)染色體。

由于鑒定出了精子中基因突變，也意味著每名男性的精子都會(huì)有一些隨機(jī)突變，這種突變既是遺傳變異的一種方式，又決定了精子是否強(qiáng)壯和是否有競爭力，以及男性是否有生育

力。如果一些隨機(jī)突變是在基因組特定位點(diǎn)發(fā)生的，那么這些突變就可能產(chǎn)生幾種有害后果，其一是這些精子無法獲得卵子的青睞，因而難以孕育生命；其二，即便這些有突變的精子能與卵子結(jié)合，它們?cè)杏暮蟠矔?huì)是畸形或產(chǎn)生遺傳疾病，對(duì)新生命未來的成長帶來不利，可能影響智商。

精子的基因突變又是由精子的生成和變化特性決定的。在男性睪丸的生精管內(nèi)生成的最初的生命種子是精原細(xì)胞，也是一種二倍體細(xì)胞，即有23對(duì)染色體，所以精原細(xì)胞的染色體數(shù)目與一般的體細(xì)胞染色體一樣同為23對(duì)。此后，精原細(xì)胞經(jīng)過發(fā)育形成初級(jí)精母細(xì)胞，初級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)過第一次減數(shù)分裂形成次級(jí)精母細(xì)胞，次級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)過第二次減數(shù)分裂形成精細(xì)胞。精細(xì)胞經(jīng)過變形最終形成精子。所以，精子中的染色體都是單倍體。

初級(jí)精母細(xì)胞在減數(shù)分裂中只分配23條染色體到精子細(xì)胞中（女性是卵母細(xì)胞只分配23條染色體到卵子中），在這個(gè)過程產(chǎn)生基因組（染色體）的重組，因而可能造成基因在重組時(shí)跳躍、變序，從而產(chǎn)生突變。而且，由于每個(gè)精子經(jīng)歷多次重組，就使得精子可能有更多的突變。這種情況也隨機(jī)決定了精子是否正常，是否強(qiáng)壯和具有競爭力。

此后，單倍體的精子要與卵子結(jié)合后產(chǎn)生受精卵才會(huì)發(fā)育成新生命，而新生命中的細(xì)胞才會(huì)再次擁有全套二倍體染色體。

99個(gè)精子基因組的啟示

當(dāng)然，現(xiàn)在研究人員還不能詳細(xì)解釋精母細(xì)胞在減數(shù)分裂時(shí)會(huì)發(fā)生哪些隨機(jī)突變以及突變是怎樣發(fā)生的，但是另一項(xiàng)對(duì)一名亞洲男性99個(gè)精子全基因組的測序和分析讓人們獲得了更多關(guān)于精子的信息，其中就包括精子的基因突變是如何產(chǎn)生的一些線索。

中國北京大學(xué)的李瑞強(qiáng)研究小組和美國哈佛大學(xué)的謝曉亮研究小組等合作，對(duì)一名亞洲男性的99個(gè)精子進(jìn)行了單細(xì)胞全基因組DNA擴(kuò)增，并且利用一種二代測序技術(shù)——高通量測序技術(shù)對(duì)每個(gè)精子分別進(jìn)行了一倍深度的測序，發(fā)現(xiàn)初級(jí)精母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生的基因片段交叉重組的重組率和重組發(fā)生的位置是造成精子基因突變的重要原因。

對(duì)這名亞洲男子99個(gè)精子進(jìn)行的基因組測序是迄今定位精度最高的精子的全基因組測序。初級(jí)精母細(xì)胞在第一次減數(shù)分裂過程中染色體會(huì)復(fù)制一次，復(fù)制后的每個(gè)染色體都含有兩條姐妹染色單體，并且并列在一起，由同一個(gè)著絲點(diǎn)連接，然后聯(lián)會(huì)，形成四分體，在四分體時(shí)期進(jìn)行基因交叉互換，并減數(shù)分裂，形成兩個(gè)新細(xì)胞。然后兩個(gè)新細(xì)胞再減數(shù)分裂一次，形成4個(gè)新細(xì)胞（見圖）。

減數(shù)分裂示意圖：

研究人員發(fā)現(xiàn)，精子基因的重組率在整個(gè)基因組中并非均勻分布，而是散布在一些狹小的區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，不同物種的精子和相同物種的不同個(gè)體，如不同的男性之間，初級(jí)精母細(xì)胞在減數(shù)分裂時(shí)期的基因重組都可能存在明顯的差別，這個(gè)期間同源染色體之間發(fā)生的片段交叉重組是分離男性遺傳物質(zhì)的關(guān)鍵時(shí)刻，也是產(chǎn)生基因組多態(tài)性的重要時(shí)候。

對(duì)單個(gè)精子的全基因組測序分析后發(fā)現(xiàn)，平均每個(gè)精子中基因的重組交叉?zhèn)€數(shù)約為26.6個(gè) 。而且，精子的基因重組率的分布在百萬堿

基尺度范圍內(nèi)與群體的重組率分布基本上是一致的，并且在個(gè)人水平上基因的重組率也有降低的趨勢。換句話說，一個(gè)種族內(nèi)的任何男性的基因重組率基本上代表這個(gè)種族或群體男性的基因重組率，因此，研究人員認(rèn)為，這表明在精子生成過程中的基因重組現(xiàn)象是由分子機(jī)制決定的，而非自然選擇的結(jié)果。

此外，對(duì)這名亞洲男性99個(gè)精子的全基因組測序也發(fā)現(xiàn)，約5%的精子是有缺陷的，表現(xiàn)為精子的染色體為非整倍體。例如，一些染色體（如21號(hào)染色體）出現(xiàn)三倍體，這種精子盡管也有競爭力并讓卵子受精，但是會(huì)造成后代先天性出生缺陷。

根據(jù)精子全基因組的測序，將來可能會(huì)改進(jìn)人類的生育。例如，對(duì)于無生育能力或生育能力差的男子，可以通過精子全基因組的測序挑選到質(zhì)量好的精子進(jìn)行人工妊娠。

精子數(shù)量和質(zhì)量的降低

如果說男性精母細(xì)胞減數(shù)分裂造成的基因重組過程可以造成一些精子的質(zhì)量問題，那么精子的數(shù)量和其他質(zhì)量問題，如精子活動(dòng)能力低下、死精等也是影響精子競爭力和男性生育能力的重要因素。

全球男性精子數(shù)量和質(zhì)量下降的說法早在20世紀(jì)90年代就提出了。然而，中國男性精子數(shù)量和質(zhì)量下降的程度更令人驚心。幾年前國家人口和計(jì)劃生育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究所公布的一項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，與60年前中國男性相比，現(xiàn)在的中國男性每毫升精液的精子密度已經(jīng)由1.31億個(gè)下降到0.5億個(gè)，減少了62%。

按照1980年世界衛(wèi)生組織精液分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正常男性的精子密度應(yīng)該為6000萬/毫升。但是，今天，中國一些地區(qū)正常男性的精子密度已經(jīng)降到2000萬/毫升。這也意味著，在約30年的時(shí)間內(nèi)，中國一些地區(qū)男性的精子密度（數(shù)量）減少了3倍。

當(dāng)然，精子數(shù)量和質(zhì)量下降并非僅是中國男性，全世界男子的精子數(shù)量和質(zhì)量也在下降。1992年，丹麥哥本哈根大學(xué)的卡爾森等人對(duì)1938年～1990年期間61篇科學(xué)研究報(bào)告進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示，全球大多數(shù)國家男子的平均精子濃度水平從1938年～1990年大約由1.13億/毫升下降到0.66億/毫升。然而，這個(gè)結(jié)論引發(fā)了廣泛爭議。

對(duì)卡爾森等人研究結(jié)果首先進(jìn)行驗(yàn)證的是美國的奧杰研究小組。他們?cè)?995年2月的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表了對(duì)美國明尼蘇達(dá)、紐約與洛杉磯三個(gè)地區(qū)的1351名健康男性的精子檢測結(jié)果，結(jié)果顯示男性的精子數(shù)并未明顯減少，1973年這三個(gè)地區(qū)男性精子數(shù)量是89 ×106/毫升，而1992年是60×106/毫升。只不過，這些地區(qū)男性的精子數(shù)量有區(qū)域性差異，居住在紐約的人精子數(shù)量最多，明尼蘇達(dá)人次之，最低為洛杉磯人。

此后，美國哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)院的莎娜·H·絲婉研究組于1997年重新對(duì)卡爾森等人1992年發(fā)表的精子數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過采用不同的統(tǒng)計(jì)技術(shù)和修正系數(shù)，認(rèn)為奧杰研究小組的結(jié)論是符合實(shí)際的，無論在美國還是在歐洲，男性的精子平均數(shù)確實(shí)在下降。

不過，更重要的研究結(jié)果是絲婉等人于2003年發(fā)表的《有生殖能力美國男子精子質(zhì)量的區(qū)域性差別》。研究人員從1999年～2001年期間采集了密蘇里州哥倫比亞地區(qū)、紐約、明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯和加利福尼亞州的洛杉磯四個(gè)地區(qū)的512名孕婦的丈夫精液進(jìn)行研究分析，而且91%的男性提供了兩份精液樣本。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，密蘇里州哥倫比亞地區(qū)男子精液中的精子數(shù)量最低，為58.7× 106/毫升，而紐約、明尼蘇達(dá)的明尼阿波利斯和加利福尼亞的洛杉磯男性的精子數(shù)量分別為，102.9，98.6和80.8×106/毫升，這四個(gè)地區(qū)男性精子數(shù)的中位數(shù)分別為，53.5、88.5、81.8和64.8×106/毫升。

這證明，美國男子精液中的精子數(shù)量的確有地區(qū)差異，而且這種差異是由環(huán)境污染，主要是使用殺蟲劑和除草劑等化學(xué)物質(zhì)造成的。由于密蘇里州的哥倫比亞地區(qū)較多接觸農(nóng)藥，該地區(qū)男性的精子數(shù)量不僅減少，而且質(zhì)量，如活動(dòng)精子數(shù)也低于其他三個(gè)地區(qū)。

歐洲男性精子數(shù)量和質(zhì)量也有變化，典型

的要數(shù)法國人。法國公共衛(wèi)生監(jiān)控研究所的喬爾·莫爾等人剛剛完成的一項(xiàng)對(duì)法國男子長達(dá)17年的精子研究結(jié)果顯示，法國男性的精子數(shù)量也在逐年下降，但質(zhì)量未必在下降。

研究人員匯集了法國126個(gè)主要的輔助生殖技術(shù)（ART）中心數(shù)據(jù)庫的資料，對(duì)其中26600名男性的精子數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行了分析，這也是迄今為止世界上對(duì)人類精子進(jìn)行的一項(xiàng)最大規(guī)模的研究，盡管其中的結(jié)果并不能準(zhǔn)確推測其他國家男性精子的情況，但是對(duì)于了解當(dāng)前男性的精子數(shù)量和質(zhì)量具有很大意義。

在長達(dá)17年的時(shí)間里，法國男性的精子數(shù)量幾乎以每年1.9%的比例在降低，總體降低了32.2%。研究人員計(jì)算了平均年齡為35歲的男性精子數(shù)量，發(fā)現(xiàn)1989年時(shí)法國男性精子密度為7360萬/毫升，但是到2005年時(shí)降低到了4990萬/毫升。

但是，法國男性精子數(shù)量的減少并沒有出現(xiàn)不育率的增加，原因在于，盡管法國男性每次排精時(shí)精子數(shù)量有減少，但精子的質(zhì)量卻有所上升，主要表現(xiàn)在有活動(dòng)能力的精子比例略有上升。在1989年～2005年間，法國男性活動(dòng)精子的比例從原先的49.5%上升到53.6%。莫爾表示，世界各國男性的精子數(shù)量和質(zhì)量都在下降，但法國男性的精子數(shù)量減少后有活動(dòng)能力精子的比例反而上升，表明精子質(zhì)量在某些方面有提高，這一現(xiàn)象需要今后更深入的研究來闡明。

無論是法國還是中國的研究人員都把幾十年來男性精子數(shù)量和質(zhì)量下降的原因歸結(jié)為環(huán)境因素和生活方式，如環(huán)境污染（環(huán)境雌激素、有機(jī)殺蟲劑和除草劑等的廣泛使用）、抽煙、酗酒、高熱、飲食不當(dāng)、使用藥物（抗風(fēng)濕藥、抗高血壓藥、激素類藥等）、電子輻射、久坐和精神壓力大等。

上述精子基因組測序發(fā)現(xiàn)，人的一些精子基因組會(huì)在重組時(shí)發(fā)生缺陷，盡管研究人員認(rèn)為這是分子機(jī)制造成的，但是，環(huán)境污染和生活方式等因素也不可避免地會(huì)對(duì)精子的基因產(chǎn)生不利影響，從而讓精子的基因在重組時(shí)發(fā)生突變。所以，莫爾認(rèn)為，人類配子（精子或卵子）質(zhì)量的損傷，可以認(rèn)為是環(huán)境壓力的結(jié)果之一，這種壓力也包括內(nèi)分泌的紊亂等。當(dāng)然，這種推測還需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究來證實(shí)。

不過，目前精子的全基因組測序和對(duì)精子數(shù)量與質(zhì)量的歷史性對(duì)比研究得出的一些結(jié)果已經(jīng)在提示人們，珍惜生命的種子，否則不僅會(huì)影響后代的質(zhì)量，也會(huì)影響人類的繁衍。

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