隨著社會的發展，生活水平不斷提高的同時，晚婚晚育的現象也日漸普遍。提到“生育年齡”，人們第一反應總聯想到女性，“高齡產婦”、“女性最佳生育年齡”是熱點話題。男性在生殖過程中擔任的角色總會在一定程度上被忽視，其實男性也有“最佳生育年齡”。那麼男性生育年齡較大，對後代會有什麼影響呢？

近日，Nature Ecology & Evolution雜誌發表一篇題為“Transcriptional and mutational signatures of the aging germline”的研究論文[1]，發現與年輕雄性果蠅相比，年長雄性果蠅可能會給後代傳遞更多的新生基因突變，可能與年長果蠅在精子發生過程中清除突變的能力較差有關。

DOI：10.1038/s41559-022-01958-x

來自洛克菲勒大學進化遺傳學與基因組學實驗室的研究團隊將雄性果蠅作為實驗物件，將實驗物件分為兩組，羽化後48小時的果蠅為“年輕組”，羽化後25天的果蠅為“年長組”。研究者對兩組果蠅的睪丸生殖細胞進行了單細胞RNA測序，同時對體細胞組織進行了基因組測序（DNA測序）。需要說明的是，體細胞是一個相對於生殖細胞的概念，體細胞的遺傳資訊不會像生殖細胞那樣遺傳給下一代。

本研究使用Seurat 4[2]，將生殖細胞分為6種型別，根據精子發生的過程依次列出：生殖系幹細胞（GSC ）/早期精原細胞、晚期精原細胞、早期精母細胞、晚期精母細胞、早期精子細胞和晚期精子細胞。

研究者透過單細胞 RNA 測序推斷基因組突變，然後將它們與基因組資料進行比較，將突變與它們發生的細胞型別相匹配。如果這種突變不存在於同一只果蠅體細胞的 DNA 中，則判定為這是一種新生突變（de novo mutation）。

圖：實驗設計和視覺化概述（來源：[1]）

年老的果蠅在精子發生過程中  表現出突變修復過程受損

為了評估年輕組和年長組果蠅之間的突變負擔，研究者比較了每種細胞型別中至少檢測到一種突變的細胞比例。結果發現，在GSC/早期精原細胞中，與年輕組果蠅相比，年長組果蠅的突變細胞比例稍高，但在統計上十分相似，均約50%的GSC/早期精原細胞至少有一種新生突變。但在隨後的細胞型別中分化明顯，年輕組果蠅晚期精子細胞只有8%發生突變，年長組果蠅晚期精子細胞40%發生突變！

圖：年長組果蠅生殖細胞突變修復受損（來源：[1]）

年老果蠅T>A突變顯著增加

研究者比較了年輕組果蠅和年長組果蠅6種突變型別的比例，發現在年輕組果蠅中主要發生T>G和T>C突變。而在年長組果蠅中，突變型別主要為T>A突變。這提示在精原細胞產生過程中可能存在與年齡相關的突變偏倚或基因突變修復偏倚。那麼這些突變特徵的差異的原因是什麼呢？研究者進一步研究發現，在年長組果蠅的GSC/早期精原細胞中基因組維持基因的表達顯著低於年輕組果蠅，表明可能是年長組果蠅中基因組維持基因的低活性影響了突變偏倚。

圖：突變特徵和基因組維持基因表達的年齡相關趨勢（來源：[1]）

果蠅早期生殖細胞基因組維持基因上調

隨後，研究者對211個與DNA損傷修復相關的基因進行了差異表達測試。發現在年輕組果蠅GSC/早期精原細胞中24個DNA損傷反應基因顯著富集，而在年長組果蠅中僅有4個基因富集，基因組維持基因表達不足可能會影響精子發生過程中的修復效率。

緊接著，研究者發現年輕組果蠅GSC/早期精原細胞中富集的主要是RNA聚合酶亞基或參與轉錄的一些基因。這表明，年長組果蠅的突變特徵可能是由轉錄偶聯修復缺陷引起的。

 

圖：基因組維持基因的年齡相關差異表達（來源：[1]）

晚期生殖細胞富集基因dN/dS值較早期更高，年輕組果蠅富集基因dN/dS值較年長組更高

研究者透過比較dN/dS值，探究了衰老過程中基因表達的失調對進化是否存在影響。首先，我們瞭解一下dN/dS值是什麼，簡單來說，dN/dS值越大越好，即正向選擇占主導地位，有害突變佔比越小。

結果發現，在年輕組和年長組果蠅中，晚期生殖細胞富集基因比GSC/早期精原細胞富集基因具有更高的dN/dS值，這一結果表明精母細胞和精子細胞是快速進化或正向選擇的來源，突出了晚期精子發生在轉錄和功能創新中的重要性。出乎意料的是，在相似的細胞型別中，與年長組果蠅相比，年輕組果蠅細胞中富集基因dN/dS更高，提示年輕果蠅比年長果蠅具有更大的進化優勢。

圖：細胞型富集基因和年齡富集基因的dN/dS變化趨勢（來源：[1]）

綜上所述，該研究為男性生殖細胞的轉錄和突變特徵提供了新的見解，值得注意的是，該研究中的突變是針對轉錄本的檢測，然而不同細胞間存在差異，後續可透過同時對單個細胞進行RNA-seq和全基因組測序排除該因素的影響，並且該研究結果在人類身上是否適用也值得進一步研究。

參考文獻：

[1] Witt, E., Langer, C.B., Svetec, N. et al. Transcriptional and mutational signatures of the Drosophila ageing germline. Nature Ecology & Evolution (2023).

[2] Satija, R., Farrell, J.A., Gennert, D., Schier, A.F., and Regev, A. (2015). Spatial reconstruction of single-cell gene expression data. Nat. Biotechnol. 33, 495–502.

來自： 生物谷