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一直以来,决定哺乳动物性别的X 、Y染色体的演化被科学界认为是通过Y染色体上基因的快速丢失而发生的。尽管已有不少研究结果缓解了不少人对“Y染色体终将消失”的担忧(男人请放心:Y染色体不会消失),但由于Y染色体在遗传学和分子生物学领域是出了名棘手的研究对象,许多关于Y染色体的演化细节还未被阐明。

近日,来自瑞士生物信息学研究所和麻省理工学院的研究者分别在最新一期的《自然》上发表了论文,为雄性的Y染色体的演化和功能提供了新的见解。

在早期演化过程中,Y染色体丢失了大量的基因。此前,科学家通过研究果蝇新Y染色体或Y染色体片段的形成,为Y染色体的“快速退化”假说提供了支持。2013年,《自然》子刊《自然遗传学综述》(Nature Rev.Genet.)曾发表关于Y染色体演化的综述,提及4个可能解释Y染色体的基因丢失现象的演化理论:

缪勒氏齿轮(Muller’s ratchet):指染色体逐渐退化。这种现象更倾向于发生在无性生殖的生物或者遗传物质中(如线粒体DNA);
希尔—罗伯森效应(Hill-Robertson effect):指当一个等位基因无法进行基因重组的时候,如性染色体中的Y染色体,有害突变逐渐累积,从而使种群的有效种群大小(effective population size,Ne)减小;
背景选择(background selection):背景选择属于负选择的一种形式。由于有害位点发生选择清除,与其连锁的非有害位点的遗传多样性也随之降低。也就是说,这种选择不仅清除有害突变,同时也清除与其连锁的位点;
搭便车效应(’hitchhiking’):指由于与某位点受到正选择或者负选择的作用,使得与其连锁的等位基因频率发生变化。搭便车效应的结果可能是突变的固定或者是清除。这属于一种随机的演化力量。

麻省理工学院的丹尼尔·贝罗特(Daniel Bellott)团队将小鼠、大鼠、牛、狨猴和负鼠的Y染色体基因克隆到细菌人造染色体(bacterial artificial chromosomes,BAC)中,并与猕猴、黑猩猩及人类的Y染色体上的序列作比较。研究者发现,大约3亿年前这些动物的祖先的性染色体上存在的184个基因中,只有3%在这些动物(的一种或几种)中幸存下来。与之前的结果一致,这项研究提示在哺乳动物Y染色体的演化早期,大量的基因丢失的确曾经发生过。

X染色体和Y染色体

人类的X染色体(左)和Y染色体(右)形态比较。

然而,尽管Y染色体出于某种原因在演化中剧烈“缩水”过,但瑞士生物信息学研究所的迭戈·科尔特斯(Diego Cortez)团队的研究共同表明,在大约2500万年前,快速的Y染色体基因丢失就停止了,被保留下的基因有着惊人的稳定性。这两篇文章共同指出,由于存在剂量调控,有一些基因被精心的保存下来,因为它们自身具有一定的功能并且能与其他基因或其产物相互作用。

由于有着大量的重复序列,重建Y染色体的工作相当艰巨。不过,科尔特斯和同事绕了“近路”——他们开发了一种新的测序技术,来帮助他们在15种有代表性的哺乳动物中探索Y染色体的演化历程。

他们的分析结果揭示了有袋类和有胎盘类动物的Y染色体起源于距今约一亿八千万年前(这两类动物分化之前)。虽然Y染色体上的重复片段经历着重组和清除事件,少部分基因已经演化出了新的功能,但是Y染色体上大部分基因由于受剂量限制,仍然保留原来的功能。一些在现有哺乳动物中相对保守的Y染色体基因(或者鸟类中W染色体基因),也被很稳定地保留了下来。

Y / W染色体上蛋白编码基因

Y / W染色体上蛋白编码基因和它们的起源。上部分是不同性染色体上的基因层,下部分是19个物种的系统发生树、分化时间以及基因层的起源时间。+:多拷贝基因;Ψ:假基因;ξ:表示黑猩猩中曾经被注释为假基因的完整基因;A&B、1&2:目前已知的拷贝片段;YAR:Y染色体上增加区域。

另一方面,贝罗特和他的研究团队对上述8种哺乳动物的Y染色体进行的分析,同样展示了剂量限值是保留Y染色体上祖先基因的重要选择压力。从这样的压力中“生还”后,8种哺乳动物所共有的36个基因,已在X和Y染色体上稳定存在了2500万年。这个研究团队提出,Y染色体除了参与形成睾丸和生成精子外,对于雄性的存活也是很有必要的。