演化

精子和卵子:惊人的多样性

为什么精子和卵子如此多样化?生物学家开始破译促进这种多样性的机制。

卡特里娜飓风爪 对于科学N°439
本文仅供《 对于科学》的订户使用

早餐用鸡蛋,在花木公园里散步,蜜蜂在那里觅食,在海洋里游泳,到处都产有外部受精的动物,例如海胆和鲍鱼……无论我们喜不喜欢,我们都被精子和动物所包围。 'ova。并且有充分的理由:在动物或植物世界中,性繁殖无处不在。特别是超过90%的脊椎动物有性繁殖。实际上,这种繁殖是生物进化过程中生物多样化的重要引擎。性选择的压力有利于多种生殖策略的出现,这些策略与自然选择一起增加了生物多样性。尤其是配子-生殖细胞-从一个物种到另一个物种或在同一物种内的巨大变异性反映了这一点。

长期以来,生物学家一直对生殖系统的多样性以及性别选择对物种进化的影响感兴趣。特别地,随着基因组学(基因组研究)和蛋白质组学(细胞,组织或生物体中所有蛋白质的分析)的进步,他们已经进行了很长时间的研究。十年来,基因组和配子产生的蛋白质以及精子在其中移动的精液的蛋白质组成的进化。因此,他们观察到繁殖的基因是那些进化和多样化最快的基因。他们还希望通过鉴定参与精子与卵子相互作用并共同进化的蛋白质,并研究其在生殖中的作用,来阐明性选择影响进化的机制。

问题有很多:为什么有性生殖的特征会发生变化?为什么精子比鸡蛋多?性伴侣的多样性如何影响精子和卵子的发育?为什么配子如此多样?如果我们仍然不了解有性生殖作用于进化的所有机制,那么就会出现一些轨迹。这项研究是广泛的,并且侧重于解剖学,生理学以及行为。在这里,我们将研究有关配子多样性及其相互作用方式的假设。

每个配子都包含产生一个人所需的一半遗传信息。在人类中,配子有23条染色体,其中一条是性染色体(卵中为X染色体,精子中为X或Y染色体)。在醋蝇中 果蝇,精子和卵子包含三个非性染色体(称为常染色体)和一个X或Y性染色体,而X染色体与常染色体的比例决定了后代的性别。因此,从遗传信息传递的角度来看,精子和卵子起着相当相似的作用。但是,它们彼此之间有很大的不同。

可能影响这种多样性动态的一个因素是卵子受精的环境-女性体内或体外。在哺乳动物中常见的内部受精需要雄性进行授精。另一方面,在特定于许多海洋无脊椎动物和某些植物的外部受精(或动物产卵)过程中,卵和精子被释放到环境中。在这种受精方式中,配子具有独特的保护和扩散特性。

不论是内部受精还是外部受精,观察到的差异都是不同的。最明显的是配子的大小和数量。通常,雌性一生只释放几百个卵,而雄性则产生大量的精子。一个男人射精200到5亿精子,与一头猪产生的80亿只精子相比,这是一个小数目!另一方面,卵子比精子大(是男人的8000倍):它不仅表现出多种保护其免受多精子侵害的障碍(一些精子进入卵子),而且还含有也是两种配子(合子)融合而产生的细胞的营养资源。

基因进化比其他基因快

从一个物种到另一个物种,精子和卵子的大小和形状也各不相同。例如,醋蝇会产生最大的精子之一(两毫米)。该记录由相关物种保存, 果蝇, dont le spermatozoïde mesure 58 millimètres. 精子ïde de 双歧杆菌 是人类的1000倍。精子和卵子如何参与成熟的功能-受精-在进化过程中如何获得如此形状的差异?

配子由不同的分子组成,包括由其中表达的基因编码的蛋白质。这些蛋白质随时间的变化可导致将单个种群分为两个不同的物种。蛋白质由氨基酸组成,每种氨基酸由三个核苷酸(基因的组成部分)的组合编码。核苷酸的修饰可能足以改变募集的氨基酸,从而改变合成的蛋白质。快速移动的基因与氨基酸修饰的高频率相关。

2002年,华盛顿大学的Willie Swanson和美国斯克里普斯海洋研究所的Victor Vacquier进行了荟萃分析,结果表明,繁殖基因属于进化基因。是人类基因组中速度最快的,并且参与了免疫反应。随着基因组测序的进步,这种趋势已在其他许多物种中观察到,包括灵长类,啮齿类,果蝇和蝴蝶。

我从2009年开始在W. Swanson实验室工作,因此表明,编码精子和卵子表面蛋白质的基因(可能参与配子相互作用的蛋白质)在鲍鱼中快速进化,属海洋无脊椎动物 Haliotis.

我们使用这种生物来研究精子对卵的附着特异性。特别适合这个问题,因为很长一段时间以来,各种各样的鲍鱼都生活在美国西海岸的重叠区域。然而,尽管有这种混杂和产卵期,但在这些物种之间几乎没有杂交,这表明精子与卵子的相互作用对每种鲍鱼都是特定的。

Grâce à un 您的t visant à détecter l'évolution rapide des gènes (请参阅对页上的方框),我们观察到,即使在密切相关的鲍鱼物种中,快速突变也导致生殖基因的极端多样化。我们还发现,在灵长类动物卵细胞涂层形成中重要的蛋白质会迅速进化。其他研究表明,参与配子相互作用的许多蛋白质在不同物种中快速进化。

为什么繁殖基因如此多样化,有时进化的速度要比免疫基因快得多,却在微生物攻击的不断进化压力下?答案部分在于实施的多种交配策略。任何通过有性生殖繁殖的生物都有其自己的吸引异性伴侣的策略。交配策略可能涉及由性别,可见色,极端大小,有吸引力的发声和许多其他特征发出的有吸引力的化学物质。雄鸟在花园里的鸟上筑起色彩缤纷的巢,上面装饰着鹅卵石,花朵和树枝。澳大利亚孔雀蜘蛛像它的名字一样,使腹部色彩斑the的褶皱动摇,并进行舞蹈以吸引崇拜者;豪猪在选择伴侣之前从求婚者那里接收尿流。这些策略随着时间的推移演变成一个复杂的平衡,包括生存到成年(交配)和吸引一个或多个伴侣的能力。

实际上,有利于男性吸引力的性状可能不利于其生存。例如,雄孔雀展现出五颜六色的羽毛,吸引着雌孔雀,但也吸引着食肉动物。它笨拙的尾巴可能导致其死亡。

而且,男性和女性并不总是具有相同的兴趣。雌性选择雄性来产生“最好的”后代,而雄性则试图通过授精尽可能多的雌性来拥有最大数量的后代。

更多合作伙伴,更多发展

由于两性基因被无差别地传播给后代,因此这些关注的分歧可能导致男性和女性生殖基因之间发生冲突。例如,在雄性中,进化可以促进精子与卵子更有效和更快的融合,而在雌性中,它可以通过产生更大的卵抗性来抵消精子效率的这种增加。要快速施肥,这将防止多精子症。性冲突是被认为可以解释配子迅速进化的假说之一(我们将回到这一点)。

伴侣的数量也可能影响进化的过程。在某些物种中,雌性在排卵期与多个伴侣交配。在另一些时期,他们与单身男性交配。根据各种外部因素(例如资源的可用性),这些行为可能已成为一段时间内的自适应优势。

开发了不同交配系统的灵长类动物提供了一个很好的模型来研究这些差异如何影响生殖特性和涉及的蛋白质的进化。即使在密切相关的物种之间,例如人类和no黑猩猩,交配系统也明显不同。人类通常是一夫一妻制,而no黑猩猩是性伴侣最多的灵长类动物之一:雌性bo黑猩猩在排卵期最多可以与其他雄性交配50次。大量研究表明,具有这种习俗的物种表现出显着特征,例如性别大小变异大,睾丸较大,生殖器形态复杂,以及其他形态,行为和分子特性。

野生水禽的情况也具有象征意义。来自英国谢菲尔德大学和美国耶鲁大学的帕特里夏·布伦南(Patricia Brennan)及其同事表明,在几种物种中,进化促进了复杂的阴道形式,这种形式阻止了强迫交配时的受精。例如,雌性北京烤鸭的阴道呈右螺旋形(逆时针上升),可以防止雄性阴茎完全松弛,呈左螺旋形,只要雌性不方便不是她自己的入口 (见图2b)。精子然后不到达受精部位。因此,雄性之间的多次交配和竞争在进化过程中引起了复杂的性结构。

如果交配策略如此之多和多样,那是由于该物种受到性选择的压力。性选择有利于赋予生殖优势的基因。在给定的人群中,这些基因有时最终占据了几代人。因此,性选择与自然选择并行进行,从而促进了适者生存。例如,在孔雀中,仅凭自然选择就不会偏爱雄性的可见尾巴,从而降低了其生存的机会。

驱动力:性选择

有两种类型的性选择:交配前性交(交配前)和交配后性交(交配后)。交配前的性选择可以在雄性之间或雄性和雌性之间进行。在第一种情况下,男性争取与女性的接触。男性之间的竞争会导致发展, 通过 选择“武器”的基因修饰,例如鹿角,角,强度或大小。雌性之间的交配前性选择发生在雌性根据某些行为或装饰特性选择其性伴侣时:求爱的舞蹈和歌曲,颜色和形状的变化。例如,雄性希瑟公鸡在他的胸部上放有袋子,在交配季节他会充气以吸引雌性。

同样,性选择会影响精子和卵子的多样性以及生殖蛋白的进化。用来解释性选择在基因快速进化中的作用的两个主要情况是精子竞争和性冲突。

精子互相竞争。因为它们有数百万个,它们的形状或能量储备的微小变化足以改变它们使卵受精的可能性。具有多个伙伴的物种尤其如此。在某些情况下,雄性产生的精子越多,睾丸大,他浸渍多名雌性的机会就越大。

此外,进化论还揭示了雄性的各种策略,例如减少交配性塞子,以减少另一种雄性的精子使卵子受精的机会。 (见图3)。因此,the黑猩猩的雄性睾丸较大,交配后其精液在雌性生殖道中形成较厚的堵塞。另一方面,精子竞争几乎为零的大猩猩的睾丸很小,几乎不产生精子:捍卫自己的领土和雌性后宫后,雄性大猩猩与所有雌性交配,没有任何压力。其他男性。

快速发展的钥匙锁系统

就我们而言,女性本身可能会寻求除性伴侣中竞争性精子以外的其他品质,或者想要避免多精子症。这些差异可能导致性冲突。例如,修饰蛋壳中蛋白质的突变可以通过减少能够进入的精子数量来改善对配子的保护:只有呈现兼容形状蛋白的精子才能将自身附着在壳上。鸡蛋并通过它。就其本身而言,世代以来,精子增加了与这种新蛋白质的相容性,从而变得更具竞争力。

这种蛋白质的相互作用就像不断完善的锁和钥匙一样,迅速变化,生物学家正在发现这些快速变化对生殖基因的影响。研究表明,这样的钥匙锁系统在鲍鱼中表现出来-精子的赖氨酸及其受体 VERL 卵子上的卵子-在种群中迅速进化,这表明这种进化确实受到性冲突的影响。

考虑了各种其他假设来解释性别特征和基因的进化。在植物中,由于自我施肥使后代的多样性要比其他个体对花粉的施肥少,因此区分自我与非自我的能力将发挥重要作用。精子和卵保护自身免受微生物侵袭的能力也可能涉及:许多与生殖有关的基因具有抗菌和免疫功能。

基因组学和蛋白质组学的进步为检验这些假设开辟了新的前景。基因组学使对细菌,病毒,鸭嘴兽或人类等生物的整个基因组进行测序成为可能。由于现在可用的基因组数目越来越多,有关性基因和性状快速进化的假说正在各种生物上得到检验。另一方面,蛋白质组学提供了工具来识别特定组织或细胞中的蛋白质并确定在那里发生的相互作用的类型。因此,已在精子,卵子,精液和卵泡液中鉴定出新蛋白。

我们使用两种方法来研究鲍鱼,植物和灵长类动物中生殖蛋白的进化。我对灵长类动物繁殖的研究旨在阐明与多个伴侣的交配和精子竞争如何影响精液蛋白的进化。这些方法还应该使鉴定精子和卵子的相互作用蛋白以及表征生殖蛋白成为可能。可以肯定的是,有性生殖比两个细胞的简单相遇要复杂得多...

主题

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户