Y 染色體正在消亡?新研究認為它其實很穩定,男同胞們可以放心了
2020年08月08日09:05

  來源:科研圈

圖片來源:Andrew Syred/Science Source
圖片來源:Andrew Syred/Science Source

  在過去近 2 億年的演化歷史中,Y 染色體經曆了劇烈縮水,變得比它所對應的 X 染色體要小得多。儘管那些專門研究 Y 染色體的學者們曾經用“懦弱的”一詞來描述它,許多非哺乳類脊椎動物乾脆拋棄了它,演化出靈活的性別轉換機製,這條小小的染色體仍然頑強地“活”了下來。為瞭解釋為什麼現在的 Y 染色體可以比它剛出現時具有更強的適應性,一篇於 8 月 6 日發表在 Trends in Genetics 上的觀點文章闡述了一個新理論,名為“Y 染色體持久假說”(persistent Y hypothesis)。

  “人們通常認為,Y 染色體對性別決定和精子產生所具有的重要意義是它免於消亡的原因,如果這些功能被移動到基因組的其它位置,那 Y 染色體將走向滅亡,”該觀點文章的共同作者之一,來自澳州新南威爾士大學(UNSW)的 Paul Waters 教授說道,“但是我們認為,Y 染色體自身所攜帶的‘劊子手基因’ (executioner genes)可以讓它在進化壓力下倖存,這類‘劊子手基因’對男性減數分裂的成功進行有重要的作用,而且不同於其他 Y 染色體上的基因,這類基因可以進行自我調控。”

  縮水的 Y 染色體

  關於 Y 染色體的命運,科學家們早已給出了許多猜測。其中“Y 染色體懦弱假說”(wimpy Y hypothesis)提出,Y 染色體是 X 染色體衰退後的殘留,並預測如果這條染色體繼續照線性的速率衰退,那麼大約 1 千萬年後,人類就將告別 Y 染色體。事實上,根據劍橋大學 2019 年發表的一項研究,已經有 20% 的男性丟失了部分 Y 染色體,而這個現像在血液白細胞中尤其嚴重(參見文末擴展閱讀)。但是這個假說沒有解決一個問題,那就是 Y 染色體上一些對男性性徵和繁殖至關重要的基因該何以為繼。

  因此,作為以上假說的補充,“Y 染色體脆弱假說”(fragile Y hypothesis)誕生了。該假說認為,隨著 Y 染色體的體積逐漸減小,其可以用來與 X 染色體搭配的假常染色體區(pseudoautosomal region)也會逐漸減小,進而使得減數分裂過程中的染色體配對和分離過程變得不穩定。在這種情況下,演化壓力會推動 Y 染色體上重要的基因轉移到常染色體上。這樣,Y 染色體的演化終點雖然仍然是完全消失,但它所攜帶的重要基因有可能讓常染色體接手,以保證生物體的正常發育和繁殖。

  大體上,這兩個假說對 Y 染色體的前途都持悲觀的態度,但最新研究提出了“Y 染色體持久假說”,強調了 Y 染色體的不可替代性,試圖解釋為什麼它沒有早就走上這兩種假說指向的道路。

  對減數分裂大有用處

  有性生殖的生物會通過減數分裂形成單倍體配子(卵子及精子),每個配子中只有每對染色體中的一份拷貝。減數分裂由一輪基因組複製和兩輪連續的細胞分裂組成,並受到嚴格調控,以防止不育或染色體異常。

  在減數分裂中的一步,X 和 Y 染色體需要在特定的時間段被沉默。“重要的是,Y 染色體承載著可以調控這個過程的基因,而這個特徵在幾年前就被發現了,”該觀點文章的另一位共同作者,來自西班牙巴塞羅那自治大學的 Aurora Ruiz-Herrera 教授解釋道,“我們相信正是這些基因的存在讓 Y 染色體免於滅絕。我們將這些參與調控染色體沉默過程的 Zfy 基因稱為‘劊子手基因’,因為它們如果在減數分裂中錯誤的時間或位置啟動,就會帶來毒性,並‘處死’發育中的精子細胞。本質上,這些基因扮演著自己的法官、陪審團和劊子手,並通過行使這些功能來保護 Y 染色體的存在。”

  總的來說,這些存在於 Y 染色體上的基因對於減數分裂的正常進行極其重要:其中的 Zfy1、Zfy2 基因在雄性性腺發育和成年小鼠的精子生成中扮演著關鍵的角色,同時在減數分裂中啟動性染色體沉默。但從另一個方面來講,也正是因為“劊子手基因”在 Y 染色體而不是常染色體上,它可以在關鍵時刻被沉默,以免殺死精子,阻止繁殖。

  失去 Y 染色體還能怎麼辦?

  Y 染色體幾乎存在於所有的哺乳動物物種當中,但對這種染色體真正重要的理解許多都來自於少數並不遵循這條規律的哺乳動物,比如說幾種囓齒動物。

  文章的作者發現,只有一種極其罕見的基因轉座事件可以在維持精子存活的情況下允許 Y 染色體的丟失。在這種特殊的轉座中,Zfy 基因會跳躍至 X 染色體上,從而在減數分裂中被沉默。這種情況也正是為什麼鼴形田鼠屬(Ellobius)沒有 Y 染色體的原因。在這些丟失了 Y 染色體的物種當中,原本 Y 染色體上承擔重要功能的基因發生了轉移,決定睾丸發育的 Sry 基因功能拷貝消失,物種演化出新的性別決定機製和性染色體系統。

  有趣的是,Y 染色體的 Zfy 基因現在已經在小鼠身上進行了一次複製,因此需要兩次基因轉座才可以完全去除 Y 染色體中 Zfy 基因的“劊子手”作用,這帶來的雙重保護會使小鼠的 Y 染色體更加穩定。

  “我從來都堅定地相信,將特殊的系統加以比較,可以為其它系統帶來許多信息,”Waters 表示,“確定 Y 染色體缺失的普遍先決條件,使我們建立起瞭解釋 Y 染色體為什麼在大多數物種中都存在的假說。”

  這項研究也是新冠疫情期間的一項意外成果。Waters 和 Ruiz-Herrera 的合作跨越半個地球,Waters 說:“今年早些時候,我們申請到了一筆經費,用於檢驗 X 染色體在減數分裂中的沉默現象。在實驗室因疫情關閉後,我們決定把討論轉化成一篇綜述。當時我們還不知道,我們會偶然發現這樣一個解釋 Y 染色體在大多數哺乳動物中的存在的直觀機製。”接下來,研究人員們計劃進一步檢視‘劊子手基因’的演化歷史,並嚐試從進化和功能角度理解這些基因又是如何被調控的。

  “在流行文化和科學界中,哺乳動物的 Y 染色體都被認為是男子氣概的標誌,” Ruiz-Herrera 說,“儘管如此,許多人都認為只要經過足夠的時間,Y 染色體最終還是會消失。但我們提出了的假說表明 Y 染色體可以逃離它的致命詛咒。因此,我們的男同事們終於可以鬆一口氣了:Y 染色體將會被繼續傳承!”

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