财星娱乐客户端app-Y 染色体正在消亡?新研究认为它其实很稳定,男同胞们可以放心了

  来源:科研圈

图片来源:Andrew Syred/Science Source

  在过去近 2 亿年的演化历史中,Y 染色体经历了剧烈缩水,变得比它所对应的 X 染色体要小得多。尽管那些专门研究 Y 染色体的学者们曾经用“懦弱的”一词来描述它,许多非哺乳类脊椎动物干脆抛弃了它,演化出灵活的性别转换机制,这条小小的染色体仍然顽强地“活”了下来。为了解释为什么现在的 Y 染色体可以比它刚出现时具有更强的适应性,一篇于 8 月 6 日发表在 Trends in Genetics 上的观点文章阐述了一个新理论,名为“Y 染色体持久假说”(persistent Y hypothesis)。

  “人们通常认为,Y 染色体对性别决定和精子产生所具有的重要意义是它免于消亡的原因,如果这些功能被移动到基因组的其它位置,那 Y 染色体将走向灭亡,”该观点文章的共同作者之一,来自澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的 Paul Waters 教授说道,“但是我们认为,Y 染色体自身所携带的‘刽子手基因’ (executioner genes)可以让它在进化压力下幸存,这类‘刽子手基因’对男性减数分裂的成功进行有重要的作用,而且不同于其他 Y 染色体上的基因,这类基因可以进行自我调控。”

  缩水的 Y 染色体

  关于 Y 染色体的命运,科学家们早已给出了许多猜测。其中“Y 染色体懦弱假说”(wimpy Y hypothesis)提出,Y 染色体是 X 染色体衰退后的残留,并预测如果这条染色体继续照线性的速率衰退,那么大约 1 千万年后,人类就将告别 Y 染色体。事实上,根据剑桥大学 2019 年发表的一项研究,已经有 20% 的男性丢失了部分 Y 染色体,而这个现象在血液白细胞中尤其严重(参见文末扩展阅读)。但是这个假说没有解决一个问题,那就是 Y 染色体上一些对男性性征和繁殖至关重要的基因该何以为继。

  因此,作为以上假说的补充,“Y 染色体脆弱假说”(fragile Y hypothesis)诞生了。该假说认为,随着 Y 染色体的体积逐渐减小,其可以用来与 X 染色体搭配的假常染色体区(pseudoautosomal region)也会逐渐减小,进而使得减数分裂过程中的染色体配对和分离过程变得不稳定。在这种情况下,演化压力会推动 Y 染色体上重要的基因转移到常染色体上。这样,Y 染色体的演化终点虽然仍然是完全消失,但它所携带的重要基因有可能让常染色体接手,以保证生物体的正常发育和繁殖。

  大体上,这两个假说对 Y 染色体的前途都持悲观的态度,但最新研究提出了“Y 染色体持久假说”,强调了 Y 染色体的不可替代性,试图解释为什么它没有早就走上这两种假说指向的道路。

  对减数分裂大有用处

  有性生殖的生物会通过减数分裂形成单倍体配子(卵子及精子),每个配子中只有每对染色体中的一份拷贝。减数分裂由一轮基因组复制和两轮连续的细胞分裂组成,并受到严格调控,以防止不育或染色体异常。

  在减数分裂中的一步,X 和 Y 染色体需要在特定的时间段被沉默。“重要的是,Y 染色体承载着可以调控这个过程的基因,而这个特征在几年前就被发现了,”该观点文章的另一位共同作者,来自西班牙巴塞罗那自治大学的 Aurora Ruiz-Herrera 教授解释道,“我们相信正是这些基因的存在让 Y 染色体免于灭绝。我们将这些参与调控染色体沉默过程的 Zfy 基因称为‘刽子手基因’,因为它们如果在减数分裂中错误的时间或位置启动,就会带来毒性,并‘处死’发育中的精子细胞。本质上,这些基因扮演着自己的法官、陪审团和刽子手,并通过行使这些功能来保护 Y 染色体的存在。”

  总的来说,这些存在于 Y 染色体上的基因对于减数分裂的正常进行极其重要:其中的 Zfy1Zfy2 基因在雄性性腺发育和成年小鼠的精子生成中扮演着关键的角色,同时在减数分裂中启动性染色体沉默。但从另一个方面来讲,也正是因为“刽子手基因”在 Y 染色体而不是常染色体上,它可以在关键时刻被沉默,以免杀死精子,阻止繁殖。

  失去 Y 染色体还能怎么办?

  Y 染色体几乎存在于所有的哺乳动物物种当中,但对这种染色体真正重要的理解许多都来自于少数并不遵循这条规律的哺乳动物,比如说几种啮齿动物。

  文章的作者发现,只有一种极其罕见的基因转座事件可以在维持精子存活的情况下允许 Y 染色体的丢失。在这种特殊的转座中,Zfy 基因会跳跃至 X 染色体上,从而在减数分裂中被沉默。这种情况也正是为什么鼹形田鼠属(Ellobius)没有 Y 染色体的原因。在这些丢失了 Y 染色体的物种当中,原本 Y 染色体上承担重要功能的基因发生了转移,决定睾丸发育的 Sry 基因功能拷贝消失,物种演化出新的性别决定机制和性染色体系统。

  有趣的是,Y 染色体的 Zfy 基因现在已经在小鼠身上进行了一次复制,因此需要两次基因转座才可以完全去除 Y 染色体中 Zfy 基因的“刽子手”作用,这带来的双重保护会使小鼠的 Y 染色体更加稳定。

  “我从来都坚定地相信,将特殊的系统加以比较,可以为其它系统带来许多信息,”Waters 表示,“确定 Y 染色体缺失的普遍先决条件,使我们建立起了解释 Y 染色体为什么在大多数物种中都存在的假说。”

  这项研究也是新冠疫情期间的一项意外成果。Waters 和 Ruiz-Herrera 的合作跨越半个地球,Waters  说:“今年早些时候,我们申请到了一笔经费,用于检验 X 染色体在减数分裂中的沉默现象。在实验室因疫情关闭后,我们决定把讨论转化成一篇综述。当时我们还不知道,我们会偶然发现这样一个解释 Y 染色体在大多数哺乳动物中的存在的直观机制。”接下来,研究人员们计划进一步检视‘刽子手基因’的演化历史,并尝试从进化和功能角度理解这些基因又是如何被调控的。

  “在流行文化和科学界中,哺乳动物的 Y 染色体都被认为是男子气概的标志,” Ruiz-Herrera 说,“尽管如此,许多人都认为只要经过足够的时间,Y 染色体最终还是会消失。但我们提出了的假说表明 Y 染色体可以逃离它的致命诅咒。因此,我们的男同事们终于可以松一口气了:Y 染色体将会被继续传承!”

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