生儿育女技巧：X精子和Y精子的区别：基因组和蛋白质组含量

细胞中基因/蛋白质的鉴定和量化提供了有关细胞功能的有趣见解。基因组学处理基因组的结构，功能，进化和图谱（Bader等，2003），而表征蛋白质的蛋白质组学则涉及通过定性和定量分析来提供新颖的研究方法（Rahman等，2016，2017a，2018）。精子通过授精为二倍体后代提供一半的遗传物质。因此，检查精子中的基因和蛋白质含量可能提供对其功能的潜在见解。

据报道，单倍体精子有能力激活染色体（包括性染色体）的转录，这对于它们的生长和存活很重要（Braun等，1989）。由于X和Y染色体的精子表达的性染色体编码的基因不同（Hendriksen，1999），这可能导致X和Y精子之间的蛋白质组学差异。尽管大多数基因是通过细胞间桥在X和Y精子之间共享的（Braun等，1989），但并不是所有基因都可以完全共享（Hendriksen，1999）。因此，X和Y精子可根据其基因/蛋白质进行区分。在本节中，我们回顾了关于X和Y精子的基因组和蛋白质组学特征的研究，并阐明了它们与两种精子类型的形态生理学特征的关系。

迄今为止，非常有限的研究已经鉴定了在X和Y精子中不同的基因。与体细胞中的RNA量（1-3 pg）相比，精子中所含的总RNA量很小（人精子为0.015 pg；牛精子为0.00018 pg）。每个精子中的过少的RNA是研究这些细胞中基因表达的主要不利之处。Chen等（2014）使用全面的基因组方法，鉴定了牛X和Y精子中的31个差异表达基因（X和Y精子分别上调了27个和4个基因）。使用RNA测序技术，据报道小鼠精子X染色体编码了492个基因，而Y染色体仅编码15个基因。其中的一些基因（特别是受体）显示出与特定精子类型的生长，存活率和功能有关（Umehara等，2019）。因此，差异表达的基因可能有助于鉴定X和Y精子遗传上的稳定性差异。

Alminana等（2014）观察到，在用X或Y精子授精的雌猪的输卵管中，精子显示出与性别相关的基因表达。当使用Y精子进行授精时，输卵管中的271个转录物被下调，而230个转录物被上调。因此，输卵管可能具有用于筛选精子的特殊生物传感器。Bermejo-Alvarez等（2010）报道, 在体外分别用X精子和Y精子受精产生有牛胚泡之间，mRNA（GSTM3，DNMT3A和PGRMC1）的水平差异明显。这表明卵母细胞也可能通过相同的机制来重组不同的精子。基因组研究的最新进展提供了几种改进的技术，可以使精子完全裂解并分离总RNA（Kirley，1990；Meng和Feldman，2010；Chen等，2014）。因此，有必要进行进一步的研究以鉴定在不同物种的不同精子间的基因表达。

成熟的精子具有最少的转录（核糖体很少，因此无法翻译）及蛋白质合成（Kwon等，2014a，2015）。因此，这些细胞非常适合进行蛋白质组分析。直接比较各种细胞中蛋白质的水平可以鉴定出导致这些细胞之间差异的标记物（Park等，2013；Kwon等，2014a）。

文献检索表明，迄今为止，已经进行了有限的研究来评估X和Y精子的蛋白质组学蓝图。Hendriksen等（1996）报道了猪X和Y精子的质膜蛋白浓度无显著差异。这项研究表明，不能根据其表面性质对精子进行性别鉴定。

Chen等（2012）使用二维电泳和质谱（2DE-MS/ MS），鉴定了X和Y精子之间42种差异表达的蛋白质。其中，与Y精子相比，X精子中有11种蛋白被上调，有4种蛋白被下调（P <0.05）。这一发现得到了其他研究者的部分支持（De Canio等，2014；Scott等，2018）。使用非标记定量技术纳流超高效液相色谱-串联质谱， De Canio等（2014）发现在X和Y精子中分别有15和2种蛋白上调。在另一项最新研究中，Scott等（2018）鉴定了含X和Y的精子中8种蛋白质的差异表达。其中，与胚胎发育有关的蛋白质（含EF手结构域的蛋白质1）在Y精子中大量表达，而其他大多数检测到的蛋白质在X精子中丰富。由于Y精子中丰富的蛋白质有助于受精后胚胎的发育，并进一步提高了男婴相对女婴的生存能力，这也支持出生时男性（105）略高于女性（100）婴儿。

尽管两种细胞类型之间特定蛋白质的表达差异，但牛心脏细胞色素c（2EIN_R）的锌离子结合结构是Chen等（2012）报道的唯一仅在X精子中独特表达的蛋白质。因此，2EIN_R可以被认为是区分两种细胞类型/性别预选目的的新型生物标记。相反，尽管这些蛋白质组学研究是从相同的动物物种（公牛）中采集的，但大多数蛋白质组学研究仍鉴定出有限的相同蛋白质。而且，Chen等（2012）报道X精子中微管蛋白亚型α3和β4B水平升高。相反，De Canio等（2014年）报道了两种微管蛋白亚型α8和β2B的不同表达谱。

在这些研究中使用不同的蛋白质组学方法（即2DE-MS / MS，nUPLC-MS / MS和SWATH-MS分析）可能导致了这些差异。根据这些发现，有必要推测X和Y精子至少可以基于蛋白质成份而有所不同。然而，有必要进行进一步的研究以鉴定可适当区分这两种细胞类型的有效标记。此外，应针对不同动物物种的X和Y精子进行蛋白质组学分析，以针对它们的实际应用，尤其是对于性别免疫（immunosexing）技术。

表1

表1总结了在X和Y精子中差异表达的蛋白质（数据来自已发表的研究）。我们使用基因网络分析（Pathway Studio）程序，发现在X精子中高表达的蛋白质与五个主要的经典途径/信号显著相关（P <0.05），而在Y精子中高表达的蛋白质与四个主要途径/信号相关（表1）。X和Y精子之间蛋白质含量和相关信号传导途径的差异可能为区分这些精子类型提供理论依据。然而，尚不确定这些差异是否与X和Y精子的生物学方面有关。通过使用相同的程序，我们确定了由X和Y精子中差异表达的蛋白质调节的相关疾病过程。

图1

图2

通过使用这种简单的例子（图1，2），一个可具有关于特定疾病的男性和女性的发生的假设推定。例如在X精子中高表达的L-乳酸脱氢酶A和睾丸特异性甘油醛3-磷酸脱氢酶被发现与乳腺肿瘤和宫颈癌有功能相关性（图1）。两种癌症都是女性癌症死亡的主要原因（Siegel等，2015）。因此，人类的流行病学调查显示女性贫血（Malhotra等，2004；Alvarez-Uria等，2014），阿尔茨海默氏病（Vina和Lloret，2010），亨廷顿氏病（Panas等，2011），和锥虫（Pepin等，2002）的发生率相对较高。还发现这些疾病与X精子中高表达的蛋白质有关（图1）。

同样，发现精子Y中丰富的蛋白质（即TUBA8和GSTM3）分别与肝癌和肾癌有关，据报道两种疾病的患病率在男性中均高于女性（Woldrich等，2008 ; Wu等，2018）。

然而，与流行病学数据相比，很少发现其他与X和Y精子中差异表达的蛋白质有关的疾病表现出不同的结果（图2）。例如，发现心力衰竭与在Y精子中高表达的CAPZB有关，但是，男性中的发生率低于女性。同样的，结核病与TPI1的功能改变有关，TPI1的功能在X精子中比在Y精子中更高。但是，这种疾病的发病率在男性中比女性高。这些不一致可能是由于基因网络分析程序通过使用PubMed数据库中存在的信息生成的蛋白质途径而导致的，这些信息无法准确地解释每种疾病。

另外，尽管两种细胞类型之间特定蛋白质的表达有差异，但大多数蛋白质在它们之间是固定的。因此，在特定细胞中蛋白质表达的增加可能并不总是代表其功能激活。该假设的另一个主要缺点是，X和Y精子之间的微小蛋白质组改变（<2倍）可能不一定会在所得后代中表现出任何蛋白质表达上的显著差异，因此可能会导致其他结论。

利用蛋白质成分来区别X、Y精子可能是准确度比较高的技术，但由于蛋白质分析也不是一件很容易的事，也许还必须等到检测技术发展到一定程度才能更简单地区分X、Y精子，从而为性别选择打开一个全新的大门！