生兒育女技巧：X精子和Y精子的區別：基因組和蛋白質組含量

細胞中基因/蛋白質的鑑定和量化提供了有關細胞功能的有趣見解。基因組學處理基因組的結構，功能，進化和圖譜（Bader等，2003），而表徵蛋白質的蛋白質組學則涉及通過定性和定量分析來提供新穎的研究方法（Rahman等，2016，2017a，2018）。精子通過授精為二倍體後代提供一半的遺傳物質。因此，檢查精子中的基因和蛋白質含量可能提供對其功能的潛在見解。

據報導，單倍體精子有能力激活染色體（包括性染色體）的轉錄，這對於它們的生長和存活很重要（Braun等，1989）。由於X和Y染色體的精子表達的性染色體編碼的基因不同（Hendriksen，1999），這可能導致X和Y精子之間的蛋白質組學差異。儘管大多數基因是通過細胞間橋在X和Y精子之間共享的（Braun等，1989），但並不是所有基因都可以完全共享（Hendriksen，1999）。因此，X和Y精子可根據其基因/蛋白質進行區分。在本節中，我們回顧了關於X和Y精子的基因組和蛋白質組學特徵的研究，並闡明了它們與兩種精子類型的形態生理學特徵的關係。

迄今為止，非常有限的研究已經鑑定了在X和Y精子中不同的基因。與體細胞中的RNA量（1-3 pg）相比，精子中所含的總RNA量很小（人精子為0.015 pg；牛精子為0.00018 pg）。每個精子中的過少的RNA是研究這些細胞中基因表達的主要不利之處。Chen等（2014）使用全面的基因組方法，鑑定了牛X和Y精子中的31個差異表達基因（X和Y精子分別上調了27個和4個基因）。使用RNA測序技術，據報導小鼠精子X染色體編碼了492個基因，而Y染色體僅編碼15個基因。其中的一些基因（特別是受體）顯示出與特定精子類型的生長，存活率和功能有關（Umehara等，2019）。因此，差異表達的基因可能有助於鑑定X和Y精子遺傳上的穩定性差異。

Alminana等（2014）觀察到，在用X或Y精子授精的雌豬的輸卵管中，精子顯示出與性別相關的基因表達。當使用Y精子進行授精時，輸卵管中的271個轉錄物被下調，而230個轉錄物被上調。因此，輸卵管可能具有用於篩選精子的特殊生物傳感器。Bermejo-Alvarez等（2010）報導, 在體外分別用X精子和Y精子受精產生有牛胚泡之間，mRNA（GSTM3，DNMT3A和PGRMC1）的水平差異明顯。這表明卵母細胞也可能通過相同的機制來重組不同的精子。基因組研究的最新進展提供了幾種改進的技術，可以使精子完全裂解並分離總RNA（Kirley，1990；Meng和Feldman，2010；Chen等，2014）。因此，有必要進行進一步的研究以鑑定在不同物種的不同精子間的基因表達。

成熟的精子具有最少的轉錄（核糖體很少，因此無法翻譯）及蛋白質合成（Kwon等，2014a，2015）。因此，這些細胞非常適合進行蛋白質組分析。直接比較各種細胞中蛋白質的水平可以鑑定出導致這些細胞之間差異的標記物（Park等，2013；Kwon等，2014a）。

文獻檢索表明，迄今為止，已經進行了有限的研究來評估X和Y精子的蛋白質組學藍圖。Hendriksen等（1996）報導了豬X和Y精子的質膜蛋白濃度無顯著差異。這項研究表明，不能根據其表面性質對精子進行性別鑑定。

Chen等（2012）使用二維電泳和質譜（2DE-MS/ MS），鑑定了X和Y精子之間42種差異表達的蛋白質。其中，與Y精子相比，X精子中有11種蛋白被上調，有4種蛋白被下調（P <0.05）。這一發現得到了其他研究者的部分支持（De Canio等，2014；Scott等，2018）。使用非標記定量技術納流超高效液相色譜-串聯質譜， De Canio等（2014）發現在X和Y精子中分別有15和2種蛋白上調。在另一項最新研究中，Scott等（2018）鑑定了含X和Y的精子中8種蛋白質的差異表達。其中，與胚胎發育有關的蛋白質（含EF手結構域的蛋白質1）在Y精子中大量表達，而其他大多數檢測到的蛋白質在X精子中豐富。由於Y精子中豐富的蛋白質有助於受精後胚胎的發育，並進一步提高了男嬰相對女嬰的生存能力，這也支持出生時男性（105）略高於女性（100）嬰兒。

儘管兩種細胞類型之間特定蛋白質的表達差異，但牛心臟細胞色素c（2EIN_R）的鋅離子結合結構是Chen等（2012）報導的唯一僅在X精子中獨特表達的蛋白質。因此，2EIN_R可以被認為是區分兩種細胞類型/性別預選目的的新型生物標記。相反，儘管這些蛋白質組學研究是從相同的動物物種（公牛）中採集的，但大多數蛋白質組學研究仍鑑定出有限的相同蛋白質。而且，Chen等（2012）報導X精子中微管蛋白亞型α3和β4B水平升高。相反，De Canio等（2014年）報導了兩種微管蛋白亞型α8和β2B的不同表達譜。

在這些研究中使用不同的蛋白質組學方法（即2DE-MS / MS，nUPLC-MS / MS和SWATH-MS分析）可能導致了這些差異。根據這些發現，有必要推測X和Y精子至少可以基於蛋白質成份而有所不同。然而，有必要進行進一步的研究以鑑定可適當區分這兩種細胞類型的有效標記。此外，應針對不同動物物種的X和Y精子進行蛋白質組學分析，以針對它們的實際應用，尤其是對於性別免疫（immunosexing）技術。

表1

表1總結了在X和Y精子中差異表達的蛋白質（數據來自已發表的研究）。我們使用基因網絡分析（Pathway Studio）程序，發現在X精子中高表達的蛋白質與五個主要的經典途徑/信號顯著相關（P <0.05），而在Y精子中高表達的蛋白質與四個主要途徑/信號相關（表1）。X和Y精子之間蛋白質含量和相關信號傳導途徑的差異可能為區分這些精子類型提供理論依據。然而，尚不確定這些差異是否與X和Y精子的生物學方面有關。通過使用相同的程序，我們確定了由X和Y精子中差異表達的蛋白質調節的相關疾病過程。

圖1

圖2

通過使用這種簡單的例子（圖1，2），一個可具有關於特定疾病的男性和女性的發生的假設推定。例如在X精子中高表達的L-乳酸脫氫酶A和睪丸特異性甘油醛3-磷酸脫氫酶被發現與乳腺腫瘤和宮頸癌有功能相關性（圖1）。兩種癌症都是女性癌症死亡的主要原因（Siegel等，2015）。因此，人類的流行病學調查顯示女性貧血（Malhotra等，2004；Alvarez-Uria等，2014），阿爾茨海默氏病（Vina和Lloret，2010），亨廷頓氏病（Panas等，2011），和錐蟲（Pepin等，2002）的發生率相對較高。還發現這些疾病與X精子中高表達的蛋白質有關（圖1）。

同樣，發現精子Y中豐富的蛋白質（即TUBA8和GSTM3）分別與肝癌和腎癌有關，據報導兩種疾病的患病率在男性中均高於女性（Woldrich等，2008 ; Wu等，2018）。

然而，與流行病學數據相比，很少發現其他與X和Y精子中差異表達的蛋白質有關的疾病表現出不同的結果（圖2）。例如，發現心力衰竭與在Y精子中高表達的CAPZB有關，但是，男性中的發生率低於女性。同樣的，結核病與TPI1的功能改變有關，TPI1的功能在X精子中比在Y精子中更高。但是，這種疾病的發病率在男性中比女性高。這些不一致可能是由於基因網絡分析程序通過使用PubMed資料庫中存在的信息生成的蛋白質途徑而導致的，這些信息無法準確地解釋每種疾病。

另外，儘管兩種細胞類型之間特定蛋白質的表達有差異，但大多數蛋白質在它們之間是固定的。因此，在特定細胞中蛋白質表達的增加可能並不總是代表其功能激活。該假設的另一個主要缺點是，X和Y精子之間的微小蛋白質組改變（<2倍）可能不一定會在所得後代中表現出任何蛋白質表達上的顯著差異，因此可能會導致其他結論。

利用蛋白質成分來區別X、Y精子可能是準確度比較高的技術，但由於蛋白質分析也不是一件很容易的事，也許還必須等到檢測技術發展到一定程度才能更簡單地區分X、Y精子，從而為性別選擇打開一個全新的大門！