人类生殖细胞（或称配子）在胚胎发育早期形成。
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原文以Why humans develop sex cells as embryos — but corals don't为标题
发布在2016年12月20日的《自然》新闻上
原文作者：Philip Ball
保持线粒体质量的动力，或许可以解释为什么不同的生物在不同阶段发育生殖细胞。
动物和植物生殖细胞的发育方式十分不同，但没人知道为什么。现在，英国的一支研究团队认为他们已经解开了这个谜题。
就人类和动物而言，早在生殖行为发生之前，其生殖细胞就已发育完善。在生命发育的最早阶段，也就是胚胎中，我们的生殖细胞就已经开始发育，继而形成染色体数量为常规数量一半的精子和卵子。对于雌性而言，卵子在需要派上用场之前会被搁置一边，处于发育停顿状态。而雄性在度过青春期后，终其一生都会持续产生精子，但精子赖以形成的专门的生殖细胞系在早期阶段就已形成。
但珊瑚、海绵和植物却没有这样的安排。它们一开始时只发育出体细胞，每个细胞都拥有全套染色体。等到交配时，它们才会根据需要，从成体组织的干细胞中发育出生殖细胞或配子。
为何有此差异？伦敦大学学院的生物化学家Nick Lane认为，较为复杂的动物之所以形成专门的生殖细胞系，是为了维持其线粒体的质量。线粒体是细胞中专门制造能量的结构，它们位于细胞核外部，并拥有自己的基因。
在12月20日发表的数学模型中，Lane及合作者展示了他们的论据。团队认为，人类和其他复杂动物面临的问题是，在不断成长的过程中，如果一些成体细胞在转变成配子之前可以不断分裂，那么线粒体就会快速积累基因突变和错误。某些配子可能会获得大量的突变线粒体，导致后代组织质量低下，而在早期就产生所需的所有卵子则可以避免这种问题。
之前，已有研究者提出“保护”静止卵子中的线粒体DNA的观点。但是，这种观点存在一个问题：经历一定的突变对线粒体是有益的。突变是演化的动力，让优势线粒体基因型得以出现。因此，由反复复制的成体细胞形成的配子可能具有有益的变异。演化能保留“好”突变，消除“坏”突变，最终改善线粒体质量。
拥有生殖细胞系的优缺点之间形成了微妙的平衡。如何获得充足的配子间差异，使演化发挥作用，同时又不至积累起损害由这些配子形成的生物体的突变呢？
Lane及同事在PLoS Biology期刊中发表了自己设计的模型，该模型为不同生物体为何形成了不同的“折中方案”提供了一种可能的解释。
在较为复杂的动物中，线粒体基因复制错误率相对较高。在这种情况下，最好的解决方案是通过有限的细胞分裂形成雌配子前体，产生远远多于需求的生殖细胞系细胞，然后剔除其中大部分，形成随机选择出的变异体。这一过程被称为闭锁，在包括人类在内的许多生物体中都存在，但其功能一直让科学家们感到不解。
一旦获得了一群差异适当的雌配子，进一步的细胞分裂便会停止，以避免在发育后期积累过多的线粒体突变。这类突变在精子中确实会累积，因为精子比卵子经历的细胞分裂要多得多。但这没有关系，因为卵子受精后，精子的线粒体就会被抛弃，不会传递给下一代。
但在植物和“基底”动物（比如珊瑚和海绵）中，线粒体基因复制的错误率很低。在这种情况下，避免线粒体基因复制的需求也有所下降。因此，配子在发育后期形成，这样就能获得遗传变异的优势，而不必面临线粒体质量不佳的风险。
但是，复制错误率起初为何存在差异仍是个未解之谜。原因可能是随着早期动物分化——从过滤性摄食变为移动捕食，有氧活动也随之增加，氧气需求因此扩大，需要在细胞中存储更多的线粒体，从而造成复制错误率上升。
英国伯明翰大学的生物数学家Iain Johnston说，这项新研究“发人深思”。“他们的说法合理而富有创造性。”但他指出，即使在同一物种内，线粒体DNA复制的错误率也不是既定的，而会在选择压力下发生改变。
Lane表示，他们的模型可以解释有性生殖的多个不同方面，但要检验模型却不容易。“没有什么实验能为自然史上范围如此广博的过程提供见解，”他说。“只有理论和建模才有希望对其做出检验。”
但Johnston说这个模型部分可证，而且至少是可证伪的。“如果发现了某种线粒体DNA复制错误率高但没有生殖细胞系，或复制错误率低但有生殖细胞系的生物，就为推翻这个理论提供了证据，”他说。
Lane补充表示，该模型应该也能用于预测闭锁和配子间线粒体差异的关系，这些预测可与实际生物体的数据进行对比检验。ⓝ
Nature|doi:10.1038/nature.2016.21218
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