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Y染色体正在逐渐消失!没有了Y染色体,谁来决定性别?

来源:生物探索 2022-12-07 13:51

一路走,一路丢基因的Y染色体,缘于对X染色体的“委曲求全”
一路走,一路丢基因的Y染色体,缘于对X染色体的“委曲求全”

1600多万年前,X和Y染色体拥有共同的来源,各自拥有1669个基因,而现在Y染色体只剩45个有效基因、60万个碱基对,其长度仅为X染色体的1/3。美国遗传学家、诺贝尔奖得主Hermann Muller在1914年指出,性染色体均来自常染色体,Y染色体上几乎所有的基因都可以在X染色体上找到等位基因。X和Y染色体共同决定了人类以及其他哺乳动物的性别。那么是什么导致Y染色体不断缩短呢?

 

01
Y染色体的出现,源于自然选择下的基因突变

 

在3亿年前,Y染色体和X染色体含有相同的基因、尺寸和形状。二者在遗传过程中都正常地进行着DNA的复制、染色体的联会及同源基因的重组互换。直到某一天,在其中一条原始性染色体上的SOX3基因突变成了Sry基因。Sry基因是现代Y染色体上决定男性性别的关键基因,一旦缺失,睾丸便不会发育。

 

图1 Y染色体Sry基因突变示意图(图源:生物探索编辑团队)

 

一个Sry基因突变怎么会带来这么大的影响?因为在突变发生的同时,伴随着染色体倒位。X染色体上的SOX3基因在底部,本该在Y染色体对应位置上的Sry基因却跑到了Y染色体顶部。这种倒位行为导致Y染色体上基因的位置发生重新排列。Y染色体意图通过“删除错误”恢复“秩序”。X染色体的同源染色体上相同位置具有等位基因,起到了“备份”作用。Y染色体倒位后基因位置变化,删除的基因缺乏备份,不可弥补。没有备份的情况下,Y染色体无法恢复,越来越短,如今仅剩下X染色体的三分之一长度。

 

其实,Y染色体出现是自然选择的结果。无性生殖由于不具有染色体的重组现象, 发生有益突变的个体的后代无法通过重组将各自的有益突变结合到同一个体的基因组中, 单个个体能够获得不同的有益突变的几率非常小。相比之下, 有性生殖则能很快地将不同的有益突变重组到同一个基因组, 产生对环境更为适应的个体。

 

02
“变心”的Y染色体与X染色体“一决雌雄”

 

基因突变阻止了原本相同大小的X和Y染色体间的大量交换。缺乏“沟通”的它们开始分道扬镳,各自产生更多突变,因失去交换而产生的差异越来越大。最终,X和Y染色体各自发展出不同的性别特征基因。Y染色体上对雄性有利的基因对雌性却常有坏处;反之X染色体上对雌性有利的基因总是打压雄性特征。一旦它们“打起来”,就会影响人体性征。例如,X染色体上的DAX基因遇上Y染色体上的Sry基因时,如果是1v1,Sry占上风,男性性征正常;但当X染色体上出现两份DAX基因时,Sry无力还手,XY男性表现的会更像女性。

 

在漫长的进化过程中,当XX和XY相遇时,3/4的X战斗力远超1/4的Y。和而不同的大背景下,Y染色体受到X染色体的“选择与攻击”,最后Y染色体删除了“不被接纳”的片段,变得越来越短。当X染色体拒绝修复Y的创伤时,Y染色体开始顽强自保,在自己仅有的领地构建“镜像世界”,形成大量回文结构,备份已有的遗传信息。当自己的某个基因不幸突变时,通过将自己弯起来,进行重组互换,修复突变。缺兄少弟的Y染色体逐渐“猥琐发育”,变得功能专一,更专注于雄性发育。

 

图2 Y染色体通过回文结构进行重组与互换(图源:干细胞者说)

 

Y染色体的“萎靡不振”让生物学家们担心其会在不久的将来彻底消失。研究Y染色体的权威专家David C. Page甚至在他的茶杯上亲自写下“拯救男性”。2015年10月24日,在国际基因组学大会上,来自澳大利亚拉筹伯大学(La Trobe University)分子科学研究所的Jennifer Graves教授表示,Y染色体可能会在450万年后彻底消失。这一观点的依据是Y染色体每百万年减少10个基因,以此类推,不需要500万年,Y染色体就不复存在。研究发现当Y染色体上Sry基因也缺失的时候,决定男性特征的睾丸就不会再发育。除了Sry基因外,Y染色体上其他基因的缺失,也会引起整个哺乳动物群体的生长发育失调。

 

与人类同纲的哺乳动物,已出现Y染色体消失

啮齿动物与人类同属于哺乳动物,且有不少种类已经彻底丢失了Y染色体,从而也就丢失了位于Y染色体上,对性别分化来说十分重要的Sry基因,比如鼠科的裔鼠属(Tokudaia)和仓鼠科的鼹形田鼠属(Ellobius)。在奄美刺鼠中,Sry基因完全缺失,但仍然分雌雄。这意味着睾丸分化可以在没有Sry基因的情况下进行,然而,经过30多年的深入研究,科学家们仍未能揭示新的性别基因的身份。

 

来自日本北海道大学的研究团队揭示了一种独立于Y染色体的新的性别决定机制。研究人员在奄美刺鼠中发现了一段仅存在于雄性个体中的DNA重复序列,该重复序列位于3号染色体Sox9基因序列的上游,能在缺少Sry基因的情况下促进Sox9基因的表达,诱导睪丸形成[1]。这一结果表明奄美刺鼠的性别决定机制已经转移到常染色体,这也是哺乳动物常染色体性别决定机制的首个例子。

 

图3 研究成果(图源:[1])

 

研究小组收集了三只雄性和三只雌性的奄美刺鼠的组织样本,为每只个体生成基因组序列,并进行了数据分析以提取特定于某一性别的单核苷酸多型性(SNP)和复制数变异(CNV)。结果发现:

 

01
雄性3号染色体上有性别特异性基因

 

雄性奄美刺鼠3号染色体短臂Sox9上游基因序列tosEnh14存在性别特异性,三名雄性的基因组中都存在这种复制,但三名雌性的基因组中都没有这种复制,表明这是雄性基因组中特有的一个等位基因。

 

02
tosEnh14发挥Sox9增强子功能

 

Hi-C分析发现tosEnh14具有与Sox9基因发生染色质相互作用的潜力。进一步研究发现,该重复序列的作用类似于小鼠中的Sox9增强子Enh14。

 

03
tosEnh14调节胚胎性腺中的Sox9表达

 

使用基因编辑小鼠进行tosEnh14功能验证试验发现:转tosEnh14基因雌性小鼠胚胎显示出诱导睾丸形成的基因表达,雄性小鼠胚胎睾丸中显示出强大的β-Gal活性,这表明tosEnh14确实可以调节胚胎性腺中Sox9的表达。

 

通过对缺乏Y染色体的奄美刺鼠的研究,发现了一种新的性别调控机制。在3号染色体上观察到一段仅存在于雄性个体中的DNA重复序列,并证实它发挥着类似Sox9 增强子Enh14的功能。在Sry缺失的情况下,这一重复序列会上调Sox9,并成为了奄美刺鼠新的性别决定因子。

 

奄美刺鼠的性别决定机制已经转移到常染色体——3号染色体上,这是哺乳动物常染色体性别决定机制的第一个发现。那么,人类Y染色体消失的那天,是否也会进化出常染色体决定性别的机制,挽救人类于灭绝的边缘?要回答这个问题,那就要撬动杠杆,向天再借500万年了!

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