廣島大學大學院綜合生命科學研究科的島田昌之教授、梅原崇助教以及辻田菜摘研究員等組成的研究團隊，發現小鼠在精子形成程序中性染色體（X染色體和Y染色體）的分佈差異，導致了擁有X性染色體的精子（X型精子）和擁有Y性染色體的精子（Y型精子）在細胞機能上的差異[1]。
已知Toll樣接受者蛋白TLR7和TLR8的編碼基因位於X性染色體，所以TLR7和TLR8兩個蛋白只在X型精子細胞内表達而Y型精子則沒有。當透過外在藥物激活TLR7和TLR8兩個蛋白，X型精子和Y型精子被輕而易舉地區分開來。TLR7和TLR8同樣也僅在牛和豬的一半精子内表達，研究團隊採用同樣藥物對二者進行刺激，成功簡便地控制了牛和豬生產的後代性別。
其中小鼠動物實驗部分的研究成果已經線上發表於2019年8月13日的《PLOS Biology》上[文獻1]。本研究成果已經就「哺乳動物的精子分離方法、人工授精方法及體外受精方法」部分提交專利申請，編號No. 2018-120260。
雌雄性別是生物界最普遍、最引人注意的生命現象之一。越是高等生物，雌雄間的外在差異越是明顯。而性別決定（Sex Determination）可以說是一個既簡單又複雜的問題。現代生物學都已普遍認同性別由性染色體倍數、等位基因、XY型/ZW型/XO型/ZO型模式等基因層面決定，但在某些低等生物也發現會受時間（黃鱔）、溫度（龜類）、光照（揚子鱷）或營養狀況（線蟲）等環境條件影響，有時也會出現性反轉現象（雞、劍尾魚）。另外，全世界或者各地區的男女比例也並非完全的1：1而呈現規律性的一定偏差。
雄性哺乳動物的生殖細胞精子，是由精母細胞在睪丸内經過減數分裂而成，所以會存在常染色體加X性染色體和常染色體加Y性染色體兩種類型的精子（圖1）。當受精時，和卵細胞（僅有X性染色體）分別配對形成XX雌性或XY雄性，這種性別決定模式稱爲XY型。
圖1 精子發生程序圖示 （圖：Schoolbag.info）
小鼠的X性染色體上存在3000個以上的基因，包括精子形成必需的基因。但一般認爲，在精母細胞最終分裂成X型精子和Y型精子之前，透過橋型結構共用了兩個精細胞的傳訊RNA以及表達的蛋白質，所以消除了X性染色體有無帶來的X型精子與Y型精子二者之間的機能差異。兩類精子本身最初形成的數量對等，二者之間的運動機能差異又被消除，因此大多數哺乳類動物最終出生的雌雄比例也都基本符合理論推算值1：1。
本研究團隊對精細胞間橋型結構消失以後的精子發生後期才開始表達的蛋白進行了詳細解析調研，希望從X性染色體上編碼的蛋白入手，闡明X型精子和Y型精子間的機能差異，並實施人工調控。因此，研究團隊以小鼠精子作爲試驗樣品，運用第二代測序技術對全RNA組進行了測序，並有意關注了在精子發生後期表達並且在精子中保留的蛋白基因。小鼠精子中X性染色體由來的殘存基因一共發現492個，再根據表達時期以及能否透過藥物外在調控兩個方面進行2段篩選，最終瞄上了Toll樣接受者蛋白TLR7和TLR8的編碼基因Tlr7和Tlr8。
Toll樣接受者（Toll-like receptors, TLR）的基因最初因爲與發育相關而被發現，近二十年來作爲參與非獨特性免疫（天然免疫）的一類重要蛋白質分子被重點研究，被視作連接非獨特性免疫和獨特性免疫的橋樑。TLR是單個的跨膜非催化性蛋白質，可以識別微生物等的具有保守結構的分子。TLR7和TLR8也同樣是RNA電腦病毒的識別接受者。當電腦病毒等微生物突破皮膚、粘膜等引擎體物理可用能屏障時，TLR即可識別它們並激活引擎體產生免疫細胞應答。
精子是由包含細胞核的頭部、儲存大量能產生三磷酸腺（ATP）能量的粒線體的中部，以及控制精子運動的尾部組成（圖2）。透過免疫染色法或者Immuno-FiSH法可以檢驗TLR7和TLR8蛋白是否表達。實驗發現，只有在減數分裂結束後的含有X染色體的精細胞最終快形成成熟精子時才表達，在成熟X型精子中TLR7主要分佈在尾部，TLR8則分佈在中部。
圖2 精子結構示意圖 (圖：Lifeeasy Biology)
當使用作用於TLR7和TLR8兩個接受者的特定藥物來處理精子後，只有X型精子的無氧醣解途徑（將葡萄糖轉變爲能量）的抑制，因此ATP合成量大幅降低，精子運動停止從而失去受精競爭能力。本研究中利用TLR7和TLR8的合成配體來讓精子失能靜止的效用是可逆，即當把配體藥物洗淨後，精子又可以重新恢復活力。
本研究推翻了X型精子與Y型精子不存在生物機能差異的假說，在一定的生理或外在環境壓力下（本研究中爲當RNA電腦病毒傳染個體時激活Toll樣接受者系統）可能會造成雌雄比例的變化。
實際上，研究團隊也正是基於上述理論，將藥物處理後的精子上清部分（Y型精子）和沉澱部分（X型精子）分別收集（圖3），繼而透過體外受精分別獲得了80%以上的雄性和雌性出生率。也就是說，基於X型精子和Y型精子潛在生物機能的不同，確實可以透過一定的人爲介入而控制出生後代的性別。
圖3 利用藥物處理後Y型精子和X型精子呈現機能差異化
在現代畜牧業，乳牛或肉牛的養殖中性別控制已經實用化，但是需要用到昂貴的細胞分離器，而且由於效率比較低、耗時比較長，最終導致使用前精子質量不理想。也由於這個終極因數，對於人工授精時需要注入大量精液的豬無法實施性別控制。而本研究中建立的新技術，不需要什麼特別昂貴的複雜儀器就可以在短時間内實施X型精子和Y型精子的大量分離，畜牧業中具有良好應用前景。
另外，就本次TLR7和TLR8爲靶點的技術而言，原則上包括老鼠、貓、狗、牛、豬、猩猩和人等所有XY型的動物都可以實施性別控制。只不過對於人類來說，當技術不再是問題的時候，倫理卻仍然還是一個需要敬畏的問題。
一般認爲，哺乳動物的性別主要由X染色體和Y染色體的組合形式來決定的，環境對性別的決定幾乎沒有影響。所以，至少到目前爲止，所有試圖在備孕期間改變血壓、飲食、所謂「酸鹼體質」或打破激素平衡，受孕時採用鹼性液體或各類網售膠液沖盡，懷孕期間繼續操作服用各類「轉胎藥」 、「生子方」來控制生男生女的，都沒有任何科學實證依據。而且上述行為可能會讓孕婦和胎兒承擔極大的健康風險，嚴重的可能會致畸、出現陰陽人或死亡。
順便在此指出，近幾年日本代購炒作的某日本診所出品的生男孩神藥林卡爾鈣片，不論其日文網站介紹的原料由幾年前的牛骨改爲現在的魚骨，還是國内產品說明書中列出的成分（乳糖、還原麥芽糖水飴、磷酸氫鈣、碳酸鈣、氫氧化鈣及鐵質、果汁粉末），其本質還是鈣片。所謂具有調控生男孩的功效，目前未見其有任何嚴謹的科學文章發表。
供稿 宋傑 東京大學博士
圖除特別註釋外均取自日文新聞發佈稿
編輯修改 JST客觀日本編輯部
相關文獻：
1.梅原 崇、辻田 菜摘、島田 昌之. Activation of Toll-like receptor 7/8 encoded by the X chromosome alters sperm motility and provides a novel simple technology for sexing sperm. PLOS Biology. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000398
相關鏈結：
1. 廣島大學官方新聞稿
