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Mar. 26 2018

人類精子尾部有令人驚奇的新發現!

  • 人類精子尾部有令人驚奇的新發現!

    人類精子尾部有令人驚奇的新發現!

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研究人員借助三維成像技術發現螺旋結構,將有助於研發治療男性不孕症或避孕的藥物。

科學家發現人類精子細胞的尾部具有左旋結構。/ PHOTOGRAPH BY DEAGOSTINI, GETTY

噢,人類的精子。對一個成熟男性的生殖細胞而言,微血管是有性生殖成功與否的關鍵所在。精子看起來就像是一隻小小的半透明蝌蚪,它有個頭部、中段,還有條擺動的尾部,協助它游向卵子授精。一位男性每秒可以產生1500個精子,而一次射精包含超過2.5億個精細胞。

儘管上述都是我們已經熟悉的生殖知識,但並非所有生殖細胞的結構都經過徹底研究。

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「有許多研究是在原生動物身上完成,」瑞典哥特堡大學(University of Gothenburg)的博士生大衛.札貝歐(Davide Zabeo)說明:「然而關於人類細胞我們依然所知甚少。」

不過這個知識鴻溝可望藉由新的成像技術縮小。低溫電子斷層掃描(cryogenic electron tomography,cryo-ET)這項全新的技術可以將細胞成像放大,並存取三維影像。論文的主要作者札貝歐與他的研究夥伴採用這項技術協助他們研究人類精子。

他們刊登在《科學報告》(Scientific Reports)期刊上的研究,以一張顯微相片揭露了先前從未在精子尾尖發現的左旋結構。這項發現有助於解釋為何有些精子游得比別的精子好,也對研發不孕症藥物與避孕藥物有所助益。

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低溫電子斷層掃描結合了電子顯微與電腦斷層掃描技術。在應用低溫電子斷層掃描時,所有生物樣本不論是一顆單一細胞、組織或者整個有機體,都會在急速冷凍後切片並利用電子顯微鏡成像。將樣本冷凍是為了確保樣本保持水分,使其在研究過程中盡可能貼近與自然狀態下一致的樣子。

科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)同為作者之一的蓋瑞.摩根(Garry Morgan)表示:「基本上,這項技術只是鑑識人們分離出來的蛋白質。借助它我們能取得一些尚未受其他技術改變的優質影像,簡直栩栩如生。」

至於成效如何呢?它能呈現出觀測物細膩、高畫質的奈米級成像,並可以重組成三維影像。

如果不將樣本切薄,一整顆細胞對低溫電子斷層掃描而言實在太厚了,但以精子的錐形尾部來說,它細得足以使用這項技術來研究。最早的精子三維影像可以追溯到2012年,當時便發現雖然大部分的精子都以直線前進,然而有些精子則採取如開瓶器般的螺旋軌跡運動,而且都還特別有活力。

驅動著精細胞的鞭毛,或者說尾部,由三個部分組成:一個藏有許多轉換能量用的粒線體中段、一個螺旋狀結構,還有在尾尖的端點。研究人員發現這個端點大約占了整個鞭毛的十分之一,內有一個向左纏繞的螺旋狀細胞結構。

迄今雖然仍不知道為何精細胞有這樣的螺旋構造,不過科學家已經有一些想法。這個結構或許能起到栓塞的功能,防止細胞內的微管增生或萎縮,協助精子將能量導往游向卵子上。

測試中的技術

如果研究人員能釐清更多關於螺旋結構的功能,便能深入研究驅動精子尾部的機制。在分子層面上,我們尚未完全理解鞭毛。

最終,這些研究具有解決男性生育問題的潛力。生育問題可以歸咎於賀爾蒙、基因與環境因素等層面出了差錯,而在超過三分之一的不育案例裡,問題癥結都出在男性身上。

隨著研究與時俱增,科學家能在不孕症患者身上觀察精細胞的螺旋結構,看看是否能找出螺旋形狀與不孕症的關聯。

這些研究最終能應用在設計藥物幫助不孕症男性,或者可以用在發展新的避孕方法。低溫電子斷層掃描技術前景看好。

「目前關於這項技術的應用還不是很多,」札貝歐說:「這凸顯了還有許多未知等著我們利用這項技術破解與觀察。」

 

撰文:ELAINA ZACHOS

編譯:曾柏諺

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