受精の勝者総取りゲームでは、何百万もの精子がゴールラインで待っている卵子に向かって競争します。多くの精子は、尻尾の欠落や変形、その他の欠陥のおかげで、スタートラインから外れることさえありません.さらに、女性の生殖管を通る長い旅を終えるためのエネルギーを欠いている人もいれば、最強の泳ぎ手以外のすべてを妨げることを意図した粘着性の液体に巻き込まれる人もいます.トロフィーに到達した精子のサブセットの場合、最終的な勝者は最後までの最後のスプリントによって決定されます。精子の正確な識別は無作為であり、卵子は最終的に配偶子のマイケル・フェルプスが到着するまで受動的に待った.または、科学者はそう考えました。
パシフィック ノースウェスト研究所の主任科学者であるジョー ナドーは、この定説に異議を唱えています。ランダムな受精は、子孫の遺伝子の組み合わせの特定の比率につながるはずですが、ナドーは、受精がランダムではない可能性があることを示す2つの例を彼自身の研究室から見つけました。明白な別の説明を除外した後、彼は受精がまったくランダムではなかったと結論付けることができました.
「パートナーを選ぶのと同等の配偶子です」とナドーは言いました.
卵子が特定の遺伝子を持つ精子を求めることができるという彼の仮説は、科学者が長い間考えていたように、卵子は従順で従順な細胞ではないという生物学における認識の高まりの一部です。代わりに、研究者は現在、卵を繁殖における平等で活発なプレーヤーと見なしており、進化の制御と選択の層を生命の最も重要なプロセスの 1 つに追加しています。
ジョージ・ワシントン大学の進化生物学者であるモリー・マニエ氏は、「女性の生殖解剖学はより不可解で研究が困難ですが、受精における女性の役割についての認識が高まっています」と述べています。
細胞レベルでの性的選択
性的選択のアイデアは、チャールズ ダーウィン自身と同じくらい古いものです。 種の起源について 、彼は孔雀の派手な尾とヘラジカの巨大な角を、オスがメスへの仲間としての魅力を誇示するのに役立つように進化した特性の例として書いています.次の世紀の間、生物学者は、交尾に至るまでの出来事で機能する性的選択のすべての側面に焦点を当てました.交尾後、雌は選択を行い、唯一の競争は精子が卵に向かって泳ぐことでした.
1991年の論文で、ニューヨーク大学の人類学者であるエミリー・マーティンは、女性の生殖生物学に対するこの男性志向の見方は広く普及していると主張した. 「卵は大きくて消極的だと見られています。 動かない または ジャーニー しかし受動的に「運ばれる」…卵管に沿って。まったく対照的に、精子は小さく、「流線型」で、常に活動的です」と彼女は書いています.
しかし、1970 年代以降、科学はその固定観念を覆し始めました。現在、スミソニアン熱帯研究所の行動生態学者であるウィリアム・エバーハルトは、交尾後でもどのオスが卵を受精させるかにメスが影響を与える可能性があるすべての方法を文書化しました.それは長いリストであり、科学者たちはまだすべてを文書化したかどうかを断言することはできません.これらの発見が遅れたのは、すべて性差別によるものではありませんでした。牙と決闘する 2 頭のセイウチは簡単に観察できます。女性の生殖管内の精子とかくれんぼゲームはそれほど多くありません.
「卵子と精子があるとすぐに、性選択が行われます。卵子と精液には信じられないほどのことができるのです」と、イタリアのパドバ大学の進化生物学者であるアンドレア・ピラストロは説明しました。
受精が体外で行われる種では、雌は卵を厚くタンパク質が豊富な卵巣液で覆うことがよくあります。イギリスのイースト・アングリア大学のマシュー・ゲージによる2013年の実験では、この液体には正しい種の精子を引き付けるのに役立つ化学信号が含まれていることが示されました.サケとマスの卵を両方の種の精子の混合物にさらしたところ、その卵自身の種は 70% の確率で受精に成功しました。これは、偶然に予想されるよりもはるかに多い結果です。
「精子は、異なる卵巣液で異なる挙動を示しました。彼らは実際、自分の体液の中でよりまっすぐに泳ぎました」とゲージは言いました。
内部肥料には、エバーハルトが「不可解な女性の選択」と呼んだ独自の方法があります。一部の女性の生殖管は迷路のようで、最も強力な精子以外のすべてを妨害する可能性のある誤った開始と行き止まりがあります。爬虫類、魚類、鳥類、両生類の多くの種を含む一部のメスは、複数のオス (生物学者はオスが大多数の種であると推定しています) と交尾し、精子を数か月、さらには数年間保存することができ、保存環境を変化させてオッズを積み上げます。ある男性を別の男性よりも好むこと。国内のニワトリを含む多くのメスの鳥は、交尾後に精子を放出することができるため、最良のオスを優先して受精を偏らせることができます.
しかし、これらすべての戦略は、異なるオスの精子を選択する機会のみをメスに提供します。精液の中で、どの精子が卵子を受精させたかは、まだ偶然に任されているように見えました.
実際、受精のランダム性は、分離の原則、つまりグレゴール・メンデルにまでさかのぼる遺伝学の最初の法則に暗示されています。親は各遺伝子のコピーを 2 つ持っており、それらはランダムに分割されて 1 つのコピーしか持たない配偶子になります。それは、学生が高校の生物で学ぶ確率の多くを生み出すものです。両親が両方ともヘテロ接合体である場合、つまり、同じ遺伝子の 2 つのバージョンを交互に持っている場合、その子孫の半分もヘテロ接合体になります。子孫の 4 分の 1 は一方のバージョンの 2 つのコピーを持つホモ接合体であり、残りの 4 分の 1 はもう一方のバージョンのホモ接合体です。
「これは、生物学において最も広く適用できる規則の 1 つです」と Nadeau 氏は述べています。
しかし、これらの確率は、受精がランダムである場合にのみ機能します。卵子または精子が、受精に関与する他の配偶子のアイデンティティに何らかの影響を与えることができる場合、それらの比率は大きく異なる可能性があります.この顕著な違いは、2005 年に Nadeau の注目を集めたものでした。彼がマウスの 2 つの特定の遺伝子の遺伝を調べ始めたとき、確率はすべて外れていました。シアトルの研究室で、彼は疑問に思い始めました:メンデルは間違っていたのでしょうか?
メンデル法違反者
ナドーはメンデルに質問しようとはしていませんでした。代わりに、彼は 2 つの遺伝子 (Apobec1) の間の相互作用を知りたかったのです。 とDnd1 ) がんの最も遺伝性の高い形態の 1 つである精巣がんのリスクに影響を与えました。 Nadeau と彼の博士課程の学生である Jennifer Zechel が、Dnd1 の 1 つの正常なコピーと 1 つの変異したコピーを持つメスのマウスを飼育したとき ヘテロ接合体 Apobec1 男性の場合、すべてがメンデルの規則に従っているように見えました。ここまでは順調ですね。しかし、彼らが繁殖を逆転させたとき (雌の Apobec1 男性 Dnd1 と交配したヘテロ接合体 ヘテロ接合体)、事態は奇妙になりました:彼らは、予想される子孫の 27% だけが突然変異 Apobec1 のコピーを持っていることを発見しました。 ミュータント Dnd1 予想していた 75% と比較して、またはその両方です。
数十年にわたって遺伝を研究してきた研究者として、ナドーはメンデル比に影響を与える可能性のある無数の要因を認識していました。受精卵が劣性遺伝子の 2 つの突然変異したコピーで終わった場合、結果として生じる胚は発生の早い段階で死亡する可能性があります。このような胚致死変異は、ホモ接合体とヘテロ接合体の比率を変化させますが、各同腹仔マウスの平均数も減少させます。しかし、Zechel と Nadeau のマウスはすべて標準的な同腹子サイズであり、受精後早期に胚が死んでいるという証拠は見つかりませんでした。
おそらく、ナドーは、問題は卵子ではなく精子にあると推論した.したがって、彼は突然変異の有無にかかわらず、健康な突然変異のないメスとオスのマウスを交配させ、オスの生殖能力に差がないことを発見しました。ナドーと彼のチームは、子孫の遺伝子型のこれらの不安定な比率の考えられるすべての原因を段階的に排除しました.1つを除いて:受精中に、卵子と精子が変異遺伝子型に対して遺伝的に偏っていた.
確かに、他の誰かがこれをすでに見たに違いない、とナドーは推論したので、彼は科学文献を検索した.彼は、説明のつかない子孫の比率の多くの例を見つけることができましたが、答えとして遺伝的に偏った受精を真剣に追求した人は誰もいませんでした.
「私たちは探しているものを見て、私たちが知っていることを使ってそれを説明するので、誰もがそれを胚の致死性と解釈しました」とナドーは言いました.
ナドーが発見した例の 1 つは、アルバータ大学のがん研究者 Roseline Godbout の研究室からのものでした。 Godbout は、遺伝性の高い小児がんである網膜芽細胞腫の発生における DDX1 と呼ばれるタンパク質の役割を研究しました。 DDX1 の機能コピーが 1 つ欠けていたマウス 遺伝子（ただし、バックアップとして完全に機能する別の遺伝子を使用）は正常で健康に見えました。 Godbout と Devon Germain は現在、ウィーンの Max F. Perutz Laboratories のポスドク研究員であり、そのようなヘテロ接合体のオスとメスを交配させたとき、彼らはどの子孫も DDX1 の両方のコピーを欠いていないことを発見しました 、単純なメンデルの数学では、それらの 25% がそうであることが示唆されますが。しかし、DNA 複製に対する遺伝子の重要性を考えると、これは驚くべきことではありませんでした:DDX1 を持たないホモ接合体 受胎後に死亡したと考えられています。 Godbout と Germain はまた、DDX1 の 2 つのコピーを持つホモ接合体の子孫の数が予想よりも少ないことを発見しました .複雑な一連の交配実験により、科学者は、その結果が DDX1 で発生したまれな突然変異に由来することを提案するようになりました 実験中の遺伝子。
ナドーは確信が持てなかった。彼は Godbout に、「ノックアウト」ホモ接合体が DDX1 を持たないことを彼女の研究室がどのように検証したかを尋ねるために手紙を書きました 遺伝子は胚として死んだ。彼らはしていませんでした。彼はまた、卵子が反対のDDX1の精子と融合することを好む遺伝的に偏った受精を考慮したかどうかを尋ねました.
「私たちは本当に、これは奇妙な継承パターンだと思っていました」と Germain 氏は回想します。 「私たちは無作為でない受精について考えたことがありませんでした。」
その後、気まぐれで、Germain は実験のすべての生データを再検討することにしました。彼は結果に目を通し、ナドーの電子メールによって促されたゴッドバウトの質問を思い出した.彼がデータを見れば見るほど、遺伝的に偏った受精が「最ももっともらしい説明」のように見えた.
遺伝的に偏った受精を結果の説明として真剣に考えている科学者がほとんどいないことに不満を感じていたナドーは、10 月に Genetics に掲載された記事「Can Gametes Woo?」に彼の仮説を書きました。 、 彼の目標は、この分野のさらなる研究に拍車をかけ、卵子と精子の相互作用が受精を変化させる可能性があるかどうか、またどのように変化するかを判断することである.
「私たちは先入観に惑わされてきました。受精のプロセスについて非常に異なる意味を持つ受精について考える別の方法です」とナドーは言います.
ジョージ ワシントン大学の Manier など他の科学者は、Nadeau の仮説は興味深いものであり、もっともらしくさえあると述べていますが、それがどのように起こり得るかについての証拠は誰も持っていないと指摘しています。 Nadeau は同意し、2 つの可能性を指摘します。
1 つ目は、葉酸などのビタミン B の代謝に関するもので、精子や卵子で重要なシグナル伝達分子を形成します。 Nadeau の研究室での研究は、これらの分子が受精において非常に大きな役割を果たしていることを示しており、彼は、特定のシグナル伝達遺伝子の異常が、精子と卵子が互いに引き合う量を変化させる可能性があると考えています.
競合する仮説は、卵子を生成する細胞分裂の最終セットの前に、精子が女性の生殖管に存在することが多いという事実に基づいています。精子からのシグナルは、これらの細胞分裂に影響を与え、卵子になる細胞のアイデンティティに偏りを与える可能性があります.
メカニズムが何であれ、この研究は、女性の生理機能が受精中は受動的であるという標準的な見方に挑戦しています。西オーストラリア大学の進化生物学者であるレニー・ファーマン氏は、「女性は選択の余地のない受動的な対象と見なされていましたが、女性は受精の結果に既得権を持つようになるでしょう」と述べています。 「このプロセスを理解するにはまだ長い道のりがありますが、これがどれほど一般的で、どのくらいの頻度で発生するかをまだ十分に理解していないと思います。」
この仮説を支持または反証するデータを見つけるのは難しいかもしれない、と Manier 氏は述べた。それは、精子内の遺伝子が表面分子に影響を与え、卵子がこれらの違いを感知できることを示すことにかかっています。このような結果には、個々の精子細胞の詳細な生化学的研究と、それらのゲノムに関する配列情報が必要です。
Nadeau 氏は懐疑論者を受け入れる準備ができています。マウス研究の結果と何が起こっているのかについての仮説を発表するとき、彼は会議で多くの人に会いました。批評家は、講演後に彼に近づき、質問をし始めることがよくあります。彼らが納得して立ち去るかどうかは不明ですが、ナドーは、偏った受精が起こらないという確信ははるかに低いと感じています. Fred Hutchinson Cancer Research Center の遺伝学者兼ウイルス学者である Harmit Malik にとって、この状況はシャーロック ホームズ流の究極の解決策です。
「不可能を排除したなら、どんなにありそうもないことであっても、残っているものは真実でなければならない」と彼は皮肉った。
