科学家揭示雌性如何能储存精子数十年

2012-02-03 admin Proc. R. Soc. B
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科学家发现所有种类的雌性动物---从鸟类到爬行动物到昆虫---有一种延长精子寿命的技巧,让它们储存精子数周、数月或者甚至数年。2012年1月25日,该研究发表在Proceedings of the Royal Society B期刊上。

他们发现雌性动物通过降低精子的代谢速率来完成这项工作的,因此精子能够在它们的身体几乎无限期地存活。

在一个极端例子中,生物学家证实蚁后(queen ant)用它们能够储存多达30年的精子给它们的卵子受精。正常条件下,一旦精子在雄性体外,它就不能存活太长时间。

这些发现可能解释为什么在生殖医学上精子样品不一定是预测一个人是否能够生育孩子的最佳方法。

领导该项研究的英国谢菲尔德大学Klaus Reinhardt博士说,“对精子进行不育测试是极其不可靠的,这可能是一种原因。”

它似乎是雌性降低精子的代谢速率和阻止精子产生过量的高度破坏性的称作自由基的活性氧分子。较慢的代谢也就意味着精子要比正常情况下更加慢地衰老。

眼下,Reinhardt和他的同事们还不知道雌性如何成功完成这项工作。

Reinhardt说,“所有细胞都产生这些分子,但是精子倾向于产生得更多,这可能是因为它们如此快速的代谢。更重要的是,在所有细胞中,活性氧分子被认为是加速衰老。因此如果它能够去除自由基,它就可能延长精子的寿命。”

自由基促进衰老的观点并不新鲜。营养学家长期而言一直推销吃诸如水果和蔬菜的观点,因为有证据表明它们含有清除自由基的抗氧化剂。

尽管有人曾经暗示雌性通过降低精子的代谢速率阻止精子产生自由基,但是在此之前没有人证实这一点。

Reinhardt解释道,“雌性可能首先让精子产生更加少的自由基的方式操纵它们。”

因此Reinhardt和他的同事,来自法国佩皮尼昂大学的Anne-Cécile Ribou,决定利用一种来自癌症研究领域的技术来进行研究。

他们使用一种称作荧光寿命测量(fluorescence-lifetime measurement)的技术来分析从雌性蟋蟀生殖道中获取的精子。这种技术让他们监控雄性蟋蟀精细胞的代谢速率和与此同时它们产生的氧化性自由基数量。

他们发现储存在雌性地中海田野蟋蟀中的精子代谢速率相比于未储存的精子下降了37%。这个与低代谢速率对应着产生低水平自由基的发现相符合。

但是他们也发现从雄性中获得的精子存在完全不同的过程:代谢更快的精子并不一定产生更多的活性氧分子。

Reinhardt说,“因此在这种情形中衰老研究的当前观点---较高的代谢等于较快的衰老---靠不住。”

研究小组注意到的另一件事情就是未储存的精子中的代谢速率不能预测精子储存在雌性中的代谢速率。

Reinhardt说,“这就是为什么生育预测可能不是如此有效的原因。一旦精子进入雌性的生殖道,雌性不能让它死去,其中一种原因可能就是关闭精子代谢要比支持它们的能量需求代价更小。这就是我们未来想要研究的东西。”

 

Reduced metabolic rate and oxygen radicals production in stored insect sperm

Anne-Cécile Ribou and Klaus Reinhardt

Females of internally fertilizing species can significantly extend sperm lifespan and functionality during sperm storage. The mechanisms for such delayed cellular senescence remain unknown. Here, we apply current hypotheses of cellular senescence developed for diploid cells to sperm cells, and empirically test opposing predictions on the relationship between sperm metabolic rate and oxygen radical production in an insect model, the cricket Gryllus bimaculatus. Using time-resolved microfluorimetry, we found a negative correlation between metabolic rate (proportion of protein-bound NAD[P]H) and in situ intracellular oxygen radicals production in freshly ejaculated sperm. In contrast, sperm stored by females for periods of 1 h to 26 days showed a positive correlation between metabolic rate and oxygen radicals production. At the same time, stored sperm showed a 37 per cent reduced metabolic rate, and 42 per cent reduced reactive oxygen species (ROS) production, compared with freshly ejaculated sperm. Rank differences between males in ROS production and metabolic rate observed in ejaculated sperm did not predict rank differences in stored sperm. Our method of simultaneously measuring ROS production and metabolic rate of the same sample has the advantage of providing data that are independent of sperm density and any extracellular antioxidants that are proteins. Our method also excludes effects owing to accumulated hydrogen peroxide. Our results unify aspects of competing theories of cellular ageing and suggest that reducing metabolic rate may be an important means of extending stored sperm lifespan and functionality in crickets. Our data also provide a possible explanation for why traits of ejaculates sampled from the male may be rather poor predictors of paternity in sexual selection studies and likelihood of pregnancy in reproductive medicine.