mdna突变与男性生育能力的相关性

mdna突变与男性生育能力的相关性

在个体适应和发展的过程中，骨瘦如柴的基因通常被视为不知名的观察者，但持续积累的证据表明，骨瘦如柴的突变（mtda）不仅与退行性神经疾病、衰老和肿瘤的发生有关，而且对动物的生存和繁殖能力也有重要影响。高突变速率、缺乏重组、母系遗传和有效种群大小降低是种内出现大量有害mtDNA等位基因的主要原因:①高突变速率主要由氧化胁迫损伤和低效率的DNA修复所造成。②缺乏重组导致mtDNA不断积累连锁不平衡(即基因间的非随机相关性),使轻微有害的等位基因也被保存下来,这不仅在一定程度上“掩盖”了单个位点的适应性变异,同时还降低了自然选择的效率。③母系传递的单倍体线粒体基因组的有效种群大小通常只有核基因组的1/4,因此,与核基因组相比,mtDNA更易受遗传漂变和种群瓶颈的影响而发生突变。根据“MullerRatchet(缪勒氏齿轮)”理论:在小种群内由遗传漂变引起最少的突变类型象齿轮样的丧失,不可逆积累的有害突变将使突变负荷增加,即中度有害突变的累积是引起mtDNA等无性繁殖实体发生灭绝的主要因素,在不发生重组的情况下,适应性将逐渐丧失,仅当回复或补偿突变足以平衡或抵消有害突变累积的影响时,此类情况的发生才得以避免。1mtda的突变对生物育种的影响1.1mtcda基因突变与产卵发育的关系线粒体(包括mtDNA)与精子计数和精子的运动能力关系密切,从频繁出现的点突变到罕见的4.9Kb和7.4Kb缺失,许多证据说明了mtDNA突变与男性生育能力的相关性。研究发现,功能异常的精子含有大量的mtDNA突变,以编码氧化磷酸化途径(OXPHOS)关键元件的一段7Kb区域为例,低生育能力的男性与剑桥参考序列相比,核苷酸取代速率增加了约3倍。王咏梅等对76例不育男性活力差的精液标本进行了分析,并从中选出5例cob和atp6发生缺失的标本进行透射电镜观察,结果发现大多数精子尾部的线粒体体积异常,且具有排列紊乱和分布不对称等特点,与正常男性精子差异明显,因此得出结论,精子mtDNA突变和线粒体结构异常可影响精子受精过程的能量供给,从而导致男性不育。卵巢mtDNA突变与卵巢老化也存在密切的关系。闫琳丽等对99例子宫功能异常的患者按年龄分组进行研究发现:①处在生育年龄的患者卵巢mtDNA即已开始有突变,且突变程度随患者年龄增加而不断升高。②卵巢mtDNA缺失与月经密切相关,正常卵巢的mtDNA缺失发生率为14.3%,而绝经后的卵巢则高达86.4%,如第8469～13447位以及第8482～13460位的碱基缺失等。该研究说明,卵巢mtDNA突变与卵巢因老化而致功能不全关系密切,基因突变使位于线粒体呼吸链上酶的转录和表达无法正常进行,并进一步影响卵巢功能。虽然遗传漂变使不同线粒体间突变和正常mtDNA分子的比例产生差异(即异质性),但众所周知,单个细胞含104～105个线粒体,而每个线粒体内则有10～20个mtDNA,正是这种“等级制度”使有害的mtDNA突变通常不会对适应性造成影响。一方面,代谢要求较高的精子仅含10～20个较少的线粒体,因此,受遗传漂变的影响会非常敏感;另一方面,对能量要求较低的体细胞和卵细胞所含mtDNA的数量比精子要多得多,因此,雌性受mtDNA突变选择作用的影响要远小于雄性。换句话说,即使携带突变mtDNA的雄性生育能力可能下降,仅有很少或没有子代,而携带同样突变的雌性则不受影响,继续将突变传给后代,并影响雄性子代的生育能力。综合来看:①mtDNA突变可引起OXPHOS电子传递障碍,并影响精子功能。②生育能力下降是由逐渐积累的mtDNA点突变所致,而非某特定的单个点突变。③由于有害突变的积累在达到一定阈值时才会对适应性造成影响,因此,仅单个配子内最常见的单倍体发生突变时,才有可能观察到不育。线粒体DNA突变对个体的影响过程如图1所示。假设某些可对OXPHOS相关蛋白功能造成影响的mtDNA突变(Ⅰ),以异质性的形式存在于单个线粒体内(Ⅱ),当体细胞中突变的线粒体达70～80%时,细胞OXPHOS功能就会降低并可能引发疾病。另外,单细胞中各线粒体内mtDNA变异的程度(Ⅲ)以及各精子间突变mtDNA的水平(Ⅳ)均可能存在显著差异,并对精子功能造成影响。一般来说,mtDNA突变仅影响精子功能,由于组织细胞或卵细胞具有不同的代谢要求和阈值限制,因此,并不会对以异质性方式携带mtDNA突变的个体(Ⅴ)造成影响;当雄性配子mtDNA突变超过阈值限制时,则可能引起雄性不育,并使其所在种群的有效种群大小发生下降。通常,单个细胞中发生突变的mtDNA所占比例达80%时才可观察到疾病的症状,但对于可能仅有部分线粒体参与供能的精子来说,当有害的mtDNA突变仅占10%～20%时,也可能对个体的繁殖能力产生显著影响。精子成熟是一个能量密集的过程,在正常情况下,精子生成伴随着mtDNA含量的减少,但当线粒体行为失常(如由突变引起的呼吸链活力下降)时,精子可通过线粒体的分裂而获得补偿。研究发现,低生育能力男性的单个精子所含mtDNA数量约为正常男性的4～7倍,而静止精子所含mtDNA数量可达运动精子的2倍以上。1.2精子项目的两性发育能力受保护的因素许多动物精子的运动能力与其含有的线粒体数量及代谢性能密切相关,如灵长类动物精子的中段体积(Midpiecevolume,线粒体数量的指标)明显比其他动物大。但mtDNA突变与精子大小、运动能力(影响受精成功率的重要参数)和育性差异的关系直至近几年才引起人们的关注。有观点认为,母体因素是造成以精子表型为代表的雄性繁殖能力差异的主要原因,精子大小变化有关的基因可能位于母体来源的X染色体,但不能排除mtDNA的作用。对双斑蟋(Gryllusbimaculatus)和黄粪蝇(Scatophagastercoraria)进行研究发现,精子大小仅对母体受到的选择作用作出响应。对茶花鸡(Gallusgallus)等家禽的精子竞争研究,同样证实了精子的运动能力受包括X染色体和mtDNA在内的母体因素的强烈影响。有关果蝇(Drosophilamelanogaster)mtDNA的研究进一步说明,降低雄性育性的mtDNA基因型频率增加将显著降低小种群的生存能力。上述现象的进化意义在于,由于因mtDNA仅影响雄性的适应能力,即使存在强烈的选择作用也无法消除母系遗传的mtDNA单倍型,这使种群中高度变异的精子形态和性能得以维持。2体光束分散对生物适应和生存能力的影响2.1tdna突变与两性生育能力遗传漂变和近交衰退可导致小种群的生存能力下降,有害的纯合子增加及二倍体核基因组中隐性的等位基因,是造成近亲繁殖的纯系种群的生存能力、生育能力和生理活性降低的主要原因。研究表明,mtDNA突变不仅可降低雄性的适应能力,还可达到较高的水平,以人mtDNA单倍群T为例,其线粒体代谢性能和精子活动能力与最普遍分布的单倍群H相比,虽然分别降低了20%和27%,但其在欧洲人种群中的频率仍可达20%。mtDNA突变频率是影响天然种群内雄性生育能力的主要因素,而雌性受到的影响则较小,且仅当突变对雌性的影响较温和时才得以在种群中维持较高的频率。与雄性配子相比,雌性配子对能量的要求相对较低,但由于卵细胞含有大量的线粒体,因此对配子质量具有较高水平的控制作用,目前已证明,卵细胞的mtDNA含量可对雌性的适应能力造成影响。2.2mtmda基因突变雄性生育和适应能力的降低,对种群生存能力影响的强度依赖于特定种群的交配系统和繁殖特点。家禽精子竞争实验表明,精子的运动性是决定繁殖成功率的最主要因素,而该因素又受到母体基因尤其是mtDNA的强烈影响,这说明mtDNA突变可导致雄性受精成功率(或生育能力)下降,在引起子代数量降低的同时,含有该突变种群的生存能力也将下降。这种由突变所致的遗传负荷(Geneticload)对于小种群的影响尤为明显,如果选择作用无法消除此类有害的mtDNA单倍型,就可能导致天然种群内个体精子形态和性能的高度变异,并影响到整个种群的繁殖能力。2.3影响mtcda突变的因素与多个雄性交配可克服与育性较低的雄性交配所带来的有害影响,但该方法可能增加疾病的风险。对于混杂交配(Promiscuous)的物种,雌性可与不同生育能力的雄性交配,使雌性繁殖成功率所受的影响较小,而单配制(Monogamous)物种则可能受有害mtDNA突变的强烈影响。生物体到底如何应对此种有害突变所带来的威胁呢?关于此问题有2种可能的解释:①由于适度的突变速率和大的种群尺寸,在100万年左右的时间跨度内,尚未发现有物种受该过程的破坏,虽然小种群也可持续许多代存在,但可能存在一种补偿性机制来缓冲种群所受的危害,如雌性对配子的选择作用、父系渗漏(Paternalleakage)和基因重组等。②恢复基因。植物细胞质雄性不育建立在母系遗传的基础上,且与线粒体功能失常有关,受影响的植物将无法产生功能性的花粉,研究发现,一些核基因可作为恢复基因抑制或消除此类有害的影响,同样的机制也可能存在于动物中。3mtcda突变的影响显然,mtDNA对于物种的适应和生存能力是非常重要的,人、动物和植物mtDNA突变与育性之间已建立了非常明显的关系,但有关mtDNA突变对天然种群中雄性适应能力和种群生存能力的影响,则有待于深入