精子的"前世今生"
精子是有性生殖、異性配偶形式生殖方式中的雄性生殖細胞（或配子），一般情況下， "女性"生殖細胞較大，而"男性"生殖細胞較小。動物產生的精子可"遊動"，其尾巴被稱為鞭毛，，而一些紅藻和真菌則產生"非活動性"的精子細胞。開花植物的花粉中含有不"活動"的精子，而蕨類和裸子植物等一些初等植物則具有"活動"的精子。
精子細胞的形成在羊膜動物（爬行動物和哺乳動物）中發生在睪丸的生精小管中，該過程涉及幾個連續的精子細胞前體的產生。首先是精原細胞，然後分化為精細胞。然後，精母細胞進行減數分裂，使其染色體數目減少一半，從而產生精子。之後，精子成熟，精子的尾部形成一條尾巴或鞭毛，從而形成成熟的能動精子細胞。成熟精子形成的整個過程從開始到結束大約需要3個月的時間。
精子細胞不能分裂並且壽命有限，但是在受精過程中與卵細胞融合後，新的生命體便開始發育。人的精子細胞是單倍體，它的23條染色體可以與雌卵的23條染色體結合，形成二倍體細胞。在哺乳動物中，精子被儲存在附睪中，並在射精過程中以精液的形式從陰莖中釋放。正常成年男性一次射精量大約在2-5ml左右，一次射出的精子數目可達3-5億。。
精子發生過程基因表達的複雜性
在哺乳動物所有器官中，睪丸表達的基因數目最多。這一生物現象也長期困擾著分子生物學家。最近一項有關人類、小鼠精子發生的單細胞轉錄組學研究表明，精子細胞基因的廣泛表達有助細胞檢查並修復基因組DNA損傷，從而維持雄性種系DNA序列的完整性。
研究人員還發現，與精子發生過程中相關基因突變率相對低，並且基因序列在種群中具有較低的多樣性。與精子發生過程無關的基因在時間尺度上進化更快。總的來說，"轉錄掃描"（transcriptional scanning）以作用於特異性基因的方式調節種系突變率，維持大部分基因的DNA序列完整性，但允許部分特定基因中快速變異、進化（如免疫相關基因）。
多年以來，睪丸轉錄組一直被認為是最複雜的。據有關研究報道，睪丸中廣泛發生的基因轉錄，覆蓋了人類及其他物種超過80％的蛋白質編碼基因。科學家相繼提出一些假設來解釋這一觀察結果。
精子基因高表達的理論學說
第一個假說觀點認為：基因廣泛表達可能是為了彌補部分基因表達產物異常。 但是，更復雜的器官（例如大腦）細胞類型雖然明顯更多，卻沒有顯示相應基因數量大量表達。 此外，最近有研究表明，雄性小鼠的生育能力，並不需要許多睪丸組織特異基因以及進化上相對保守的基因發揮功能而維持。睪丸中的轉錄組和蛋白質組之間顯著的不一致進一步支持了這一觀點，即廣泛的基因轉錄並不一定會通過"中心法則"導致功能性蛋白質合成。
第二個假說觀點認為：在精子發生的整個過程中，大量染色質重塑過程中出現的"轉錄失誤"（leaky transcription）。 該模型預測在精子發生的後期階段（當基因組的染色質變化最大時）會有更多的表達，但是這與先前的觀察結果矛盾。 另外，鑑於廣泛的基因轉錄對能量的高需求，"轉錄失誤"（leaky transcription）理應受到更嚴格的限制，縮減轉錄基因的數目似乎才更加符合生命維持邏輯。
科學家提出的第三種模型："轉錄掃描"（transcriptional scanning）模型。這一理論認為，睪丸內基因的廣泛轉錄可調節基因的進化速度。使用人和小鼠睪丸細胞進行scRNA-Seq分析，證實了廣泛的基因轉錄確實來自生殖細胞，而不是來自體細胞和生殖細胞兩部分。
研究發現，與未表達的基因相比，精子發生表達的基因在人群中的遺傳變異（germline variants）更少，並且這些基因上的轉錄偶聯修復（TCR）標誌（signature）可以來解釋觀察到的有偏差的生殖系變異模式。該模型認為，在精子發生過程中，廣泛的基因轉錄可視為一種DNA掃描機制（transcriptional scanning）。
在"掃描"過程中通過轉錄偶聯修復（TCR）系統地檢測和修復龐大的基因組中存在的DNA損傷，從而降低種系突變率，並最終降低基因進化的速率，使親子代之間保持一定的遺傳穩定性。在雄性種系中未表達的基因並不是隨機不確定的。事實情況是，這些未表達基因主要為感覺和免疫/防禦系統相關基因，這與先前研究觀察到這類基因進化得更快的結論相一致。
但是，在高表達的基因子集中，轉錄偶聯損傷（transcription-coupled damage ，TCD）遠遠超過了轉錄偶聯修復（transcription-coupled repair ，TCR）的作用，這些基因富含與精子發生有關的功能，這也暗示了轉錄偶聯損傷（transcription-coupled damage ，TCD）在種系突變率調節中的作用。總的來說，"轉錄掃描"（ transcriptional scanning）模型揭示了迄今為止在DNA修復中尚未得到重視的方面，這一理論模型更加側重於整個基因組的基因進化速率。
參考文獻
Xia B, Yan Y, Baron M, et al. Widespread transcriptional scanning in the testis modulates gene evolution rates[J]. Cell, 2020, 180(2): 248-262. e21.
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