为什么精子和卵子两者都携带一半DNA个体差异却那么大?

难道是本来卵子就比精子多带了DNA亦或是其他物质?(我想表达的是假如两者DNA不对等,精子就像是只填充了完整受精卵关键的部分DNA链,是不是意味着后代遗传受母亲一方的影响更大些?) 如果不是这样,那这些多出来的东西在后面受精卵发育成胚胎中又扮演着什么样的角色?

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10个答案
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Silence_001一般水平的生物学博士,苦逼实验员

2013-09-12 13:46

本不想班门弄斧,看到大家的答案稍有缺憾,拾遗之。
楼主3个问题,前两个意思差不多,相对好回答;第3个可以写一篇至少十万字的综述,所以我简单点写呵呵。另外需要声明,以下所指的精子和卵细胞都是指多细胞动物(我想楼主也是这个意思)。
1.难道是本来卵子就比精子多带了DNA亦或是其他物质?
是的,动物费了非常大的力气产生一个巨无霸的卵细胞,当然不能白忙活。总体而言,卵细胞即比精子多了一些DNA,又多了很多很多其它的物质(太不不精确了,没办法,汗一个)。
首先说DNA部分,动物的DNA可以分为基因组DNA和线粒体DNA。基因组DNA是在细胞核里的,非常多;线粒体DNA是在细胞里面的一个小细胞器叫线粒体里的,非常少。我们一般以碱基对(basepair,bp)来衡量DNA的多少,对人类而言,基因组DNA是30亿bp,也即3×109,有两个拷贝,也就是说有6×109——对了你想的没错,这两个拷贝一个来自精子,一个来自卵细胞,可以看作是一样的(除了性染色体稍不同,但不影响这个总体结论)。相对而言,线粒体DNA小的多了,动物的线粒体DNA大多在几十kb,比如人类是16.6kb,即1.6×104 bp,是基因组DNA的大约二十万分之一,拷贝数目不定,可以很少,也可以成百上千,不会像基因组DNA一样必须是两个拷贝。——好了现在说重点:所谓卵细胞里面比精子多一点点DNA指的就是线粒体DNA(其实这种说法也是不太准确的)。下面听我慢慢说。动物的精子和卵细胞其实都携带一个拷贝的基因组DNA和许多线粒体DNA;受精后,精卵融合为受精卵,他们携带的各一个拷贝的基因组DNA融合,形成一个含两个拷贝基因组DNA的细胞核。但此时不寻常的是,在绝大多数动物中,精子带进受精卵的线粒体退化掉,只有原来在卵里面的线粒体得以留存。也就是说对你而言,你的基因组DNA一半来自你爸爸,一半来自你妈妈,但是你的线粒体100%是来自你妈妈的,是母系遗传的。所以实际上,所谓卵细胞比精子多一点点DNA,准确的说是卵细胞比精子多贡献一点点DNA。正因为如此,现在有通过线粒体DNA分型来寻找某个族群共同母亲的工作(我觉得有点无聊),比如有人说所有的欧洲人是7个女性的后代,所有的人类都可以追溯到一个共同的母亲,等等等等。
再插句题外话,线粒体DNA虽然小,没几个基因(人类只有三十几个),却是必不可少的。线粒体缺陷可以引起严重的遗传病,比如过早衰老、耳聋、肌肉无力、肠道功能紊乱和心脏病等等等等,这方面我不是专家,所以不展开说。正因为如此,前一阵子英国打算允许对有线粒体缺陷的女性通过人工干预的方法引入另外一个健康女性的正常线粒体,使她们能孕育健康的婴儿,还引起了不小的争论(http://www.yybnet.com/www/news/12/106621.html)。
2.我想表达的是假如两者DNA不对等,精子就像是只填充了完整受精卵关键的部分DNA链,是不是意味着后代遗传受母亲一方的影响更大些?
知道了上面那些,这个问题就好回答了,精子实际上提供了后代一半的DNA,线粒体DNA其实影响极小,所以在遗传上其实和卵细胞贡献基本一致。但是,后面那半句,会引出第三个巨大的问题。也就是说,虽然父母所提供的DNA量基本一致,但是后代受母亲的影响却是远远大于父亲的,下面来看第三个问题。
3. 如果不是这样,那这些多出来的东西在后面受精卵发育成胚胎中又扮演着什么样的角色?
除了DNA成份之外,卵细胞比精子多出来的东西可就多了去了,不过根据我们一贯不精确的作风,可以粗略的分成两大类:
第一类是营养物质,比如卵黄之类的,为胚胎的发育提供营养,这个很容易理解,不细说。
第二类是调控胚胎发育的物质,大部分是一些基因的产物,种类特别多,参与的过程特别多,发挥作用的方式也千差万别,总的来说现代发育生物学的一大块精力是放在这上面的。这类东西的研究成果可以说是浩如烟海,本人不才,尝试着大体勾勒一个轮廓,有错误的请指正,有想知道细节的可以自行去看发育生物学的专门书籍。
卵细胞里多出来的这些东西,起个名字的话可以叫做母源因子,上面说了大部分是一些基因的产物(RNA和蛋白质等),它们储存在卵细胞中,保持无活性状态,在需要的时候激活,发挥功能。它们参与所有的早期发育过程,决定个体发育的模式,是早期发育最重要的因素。
举最重要的几个,比如说,一个圆形的卵要形成一个动物个体,体轴是最起码的要素。也就是说总要决定哪一面是头,哪一面是尾,哪一面是背,那一面是腹,还有左和右,这些都是卵细胞中的母源因子决定的,在受精之前或者刚受精的时候就决定了。比如说决定以后形成果蝇头部的蛋白在卵中早早的就定位在将要形成头部的那一端:


(引自http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2250/Week_DevoGenetics/1GeneDG.html
如果这个系统的分子出了问题,胚胎不能正常发育,现在利用技术可以使一些动物不发育背部而发育两个腹部,或者发育两个背部等等,比如下面这条双背部的鱼:

(引自Nakayama et al., CMLS, Cell. Mol. Life Sci.57 (2000) 943 – 956)
其它的例子,比如一开始受精卵分裂的时候一定有一个固定的模式,卵细胞里面负责细胞分裂的那些分子会精确的确定分裂的方向,这也算一个母源因子的重要功能。蛙卵前两次次分裂一定是纵裂,如果是横裂,那么胚胎发育就不能进行。有的动物受精卵分裂是不对称的,分裂的位置也十分精确,如果人为的使分裂变得对称,发育也不能正确进行,比如下面这个贝类的胚胎,首次分裂产生的两个细胞差别非常大。

以上是几个非常简单的例子,更复杂些的先不列举了,反正大家知道,卵细胞中多出来的那些母源因子,其实功能不亚于双亲贡献的DNA。陈大元克隆大熊猫,把大熊猫的细胞核转移到兔子的卵细胞中,只发育到囊胚后就不发育了,母源因子的不兼容可能有很大的关系。
最后,我还想说的一点是,精子的功能也不只提供DNA这么简单,尤其是在哺乳动物中,精子DNA上的表观遗传学印记是必不可少的,感兴趣的朋友可以自行搜索表观遗传学。

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fengfeixue0219植物分子生物学博士

2013-09-05 21:55

嗯,就是因为卵子比精子多携带了包括DNA在内的很多物质。
精子和卵子这两类配子的分化,代表了两个方向,前者向高机动性方向发展,后者向多存储物质方面发展。二者对于体外受精生物而言,这套系统可以兼顾更大概率的受精(两配子间的相对活动范围要大,从而提高接触几率),以及受精后受精卵有更大概率发育为成体(配子需要储存有能量物质供给胚胎发育),因此属于功能破缺和配合策略。

对于体内受精生物,尤其是哺乳动物而言,继承了这一策略,只不过由于体内受精和胎盘的存在,提高受精几率和提供营养物质发育不是那么迫切,相对于体外受精生物来说有所弱化。但是,卵子还是由于含有大量细胞质(以及胞质内的线粒体),因而显得更大。而线粒体是具有DNA的,也是可遗传的,即细胞质遗传。从这一点考虑,卵子实际上对后代的遗传贡献更大(但注意,并非对后代的优势贡献更大)。此外,卵细胞中存储的一些营养物质也可以供给受精卵和早期胚胎发育使用。

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1、精子所含的DNA是远少于卵子的。例如性染色体DNA,精子的性染色体Y只含有78个基因,而卵子的性染色体X含有1098个基因。但是这个不是主要原因,因为一半的精子染色体,是X染色体的,但是体积也小于卵子。
2、除了核DNA,卵子还含有线粒体DNA,以及各种RNA等其他遗传物质。而精子不含。
3、精子是由一个精原细胞经过两次分裂变成四个精子细胞。卵子是由卵母细胞经过两次分裂,变成1个卵子细胞和3个极体(没用的残骸),而且在分裂过程中慢慢长大。
4、精子储存的能量少。在附睾部位激活后,精子所携带的能量只需要保证自己能游泳到输卵管、全程不到10厘米(且有各种方式的助跑、发射)。大约维持几分钟到十分钟就行。。。。而卵子存储的能量很多,要保证从卵巢里面钻出来(阻力不小,常常导致卵巢出血);在盆腔寻找输卵管开口;移到输卵管(无助跑);引诱精子跑过来;在进入一个精子后、立刻形成保护膜阻止其他精子进入;把精子的DNA整合到自己的DNA上面;移动到子宫(没有助跑、发射);多次分裂形成胚胎;再继续形成空心球的胚泡;腐蚀子宫内膜、钻进子宫内膜里面;诱导子宫内膜形成胎盘。。。全程要维持12天以上。。。所以,卵细胞内携带的营养物质更多。


总的来说,卵子多出来的部分,绝大部分是储存的能量,其余的是多出来的遗传物质包括线粒体DNA和其他RNA。


婴儿的基因遗传物质,更多是来自母亲。尤其是细胞核外的遗传物质,全部来自母亲。所以俗语「爹矬、锉一个;娘矬,锉一窝」是有道理的。

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卵子是空间站,而精子只是货运飞船,两者的使命不同。

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支持者: 直福

一个要月才能养出一只来,一个一天就能冒出无数个,能放在一起比吗

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支持者: 直福

我觉得更多还是为了能量供给考虑,毕竟卵子承载了未来的发育工作,精子只要携带游动的能量就好啦,效率更高

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支持者: we_cry

卵子只比精子大一百多倍,精子的数量是卵子的几亿倍。你觉得竞争在后代生存发展中扮演什么角色?
不同的繁殖策略而已。

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一个是HUB,一个是RJ45头,你觉得个头一样大,我们还有未来么?

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要是其中一方要一次性生产几百上千万个卵子那么大的生殖细胞,另外一方只需要一个月生产一个像精子那么点的细胞。。。

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看完以上的各条发言只想表达一下个人发自肺腑的人生感悟:希望自己的每一个轮回都能幸运的投胎为伟大的女性,不说别的,内什么,孩儿他娘永远没错!

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