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Y染色体的衰退似乎是生物界的普遍现象,许多人因此担忧,人类的Y染色体会消失吗?事实上,有许多种小老鼠早就失去了Y染色体却依然可辨雌雄,它们会是人类演化的未来吗?

撰文 | 余井

我们知道,大多数哺乳动物的性别是固定的,而且是由2条性染色体——X和Y决定的。一般来说,哺乳动物从母亲那里获得一条X染色体,从父亲那里获得一条X或者Y染色体。携带XX染色体的动物会长出子宫、卵巢,携带XY染色体的则会长出睾丸和对应的生殖器。

不过,在这个常规里却有例外。一些哺乳动物已经完全放弃了Y染色体。更奇怪的是,虽然没有Y染色体,它们出生的时候却已经具有了特定的性别。

这类哺乳动物就是啮齿动物,小老鼠们。

一、不需要Y染色体的老鼠们

啮齿动物中,有不少种类已经彻底摆脱了Y染色体,比如鼠科的裔鼠属(Tokudaia)和仓鼠科的鼹形田鼠属(Ellobius),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(sex-determining region Y)。SRY基因是调节大多数雄性哺乳动物生理发育的关键开关。

           

鼹形田鼠(Ellobius talpinus)| 图片来源:wikipedia

鼹形田鼠的3个种,鼹形田鼠(Ellobius talpinus)、坦氏鼹形田鼠(Ellobius tancrei )和阿赖鼹形田鼠(Ellobius alaicus)都没有Y染色体,它们无论雌雄都具有XX基因型,也就是有两条X染色体。而鼹形田鼠属的另一个种土黄鼹形田鼠(Ellobius lutescens)和裔鼠属中的奄美裔鼠(Tokudaia osimensis)、德之岛裔鼠(tokudaia tokunoshimensis)这两个种一样,都具有X0基因型,即X0/X0,无论雌雄都只有一条X染色体。

那么,没有Y染色体,这些啮齿动物是怎么决定自身的性别呢?

奄美裔鼠的性别如何形成?

我们先来看看科学家对裔鼠属的小耗子们做的研究。

           

奄美裔鼠(Tokudaia osimensis)| 图片来源:asianscientist

日本奄美大岛的特有种奄美裔鼠,它们的雄性和雌性都只有X染色体,基因型为X0。2019年,为了研究奄美裔鼠是如何在没有Y染色体的情况下产生性别的,密苏里大学和北海道大学的研究者分离了雌雄奄美裔鼠大脑中的RNA,研究了它们的转录过程,并将相关研究发表在《BMC基因组学》上。

基因的表达包含转录和翻译两个过程,在转录过程中,来自基因的遗传信息传递给信使RNA,而在翻译过程中则由信使RNA进一步传递给蛋白质。不过,即使是同一种基因,也可以形成不同的信使RNA,这些不同的信使RNA也被称为转录本。

转录本的微小变化可能会影响终产物蛋白质的功能。这项研究的主要作者Cheryl Rosenfeld 介绍说,虽然雌雄奄美裔鼠的性染色体完全相同,但雄性奄美裔鼠被上调的转录本比雌性多几百个,也就是说雄性的转录本比雌性多,这可能导致了它们的性别差异。

这项研究进一步发现,转录的差异可能是表观遗传的结果。通俗来说,如果将DNA看作是一张记录着蛋白质制造方法的蓝图,那么表观遗传就是在不改变这张蓝图的情况下,有选择地阅读和使用蓝图里的设计图纸的过程。

他们发现,雄性奄美裔鼠的转录本大多表达的是锌指蛋白的基因。在普通哺乳动物中,锌指蛋白对基因表达的调控具有重要作用,它们好比是DNA蓝图的使用指南,可以影响怎么读取和使用DNA,影响着细胞的分化,包括性别分化。研究人员据此猜想,雄性奄美裔鼠可能加大了锌指蛋白转录本的“火力”,以补偿SRY基因的缺失;而在缺乏某些锌指蛋白转录本的情况下,雌性就能产生生殖腺和雌性脑。但是奄美裔鼠是如何做到这点的,我们目前还不得而知。

可以跨物种变性的奄美裔鼠

奄美裔鼠更厉害的一点是它们的干细胞可以跨物种变性。

在2017年发表在《科学·进展》(Science Advances)上的一项研究中,日本宫崎大学的Arata Honda和同事将一只雌性奄美裔鼠尾部的皮肤细胞转化成了iPS细胞(诱导性多能干细胞)。接着他们把这些干细胞注入一个不同的物种——实验用小家鼠胚胎中,然后把胚胎移植到母家鼠体内。母家鼠最终诞下了13只嵌合体,也就是体内有奄美裔鼠细胞的家鼠。

在这13只嵌合体成年后,研究者追踪了来自母奄美裔鼠的iPS细胞在家鼠体内的位置。有趣的是,不仅出现在雌性家鼠卵巢里的iPS细胞长成了未成熟的卵细胞,出现在雄性家鼠体内的也转变成了精子的前体细胞。打个不恰当的比方,这就好比把人类的干细胞给了小黑猩猩以后,一些黑猩猩身体里长出了人类的卵子,另一些长出了人类的精子。如果这些人类的精子和卵子相遇会发生什么?——呃,画面太美不敢想。

在此之前,研究者还从来没有把雌性动物的干细胞变成成熟的精子。对于普通家鼠,如果把雌性的iPS细胞注入雄性胚胎体内,这些细胞会很快死亡。因此,奄美裔鼠的这种跨物种灵活“变性”能力可谓非比寻常。

一般来说,精子发生需要Y染色体上的SRY基因,它可以产生DNA结合蛋白,最终导致睾丸的形成和睾酮激素的分泌。睾酮可以刺激雄性哺乳动物生殖道其他部位的发育,并让大脑变得雄性化。而奄美裔鼠是没有Y染色体的,从而也就失去了SRY基因这个性别分化的重要开关,那么在这种情况下,奄美裔鼠的干细胞如何在其他物种体内分化成生殖细胞呢?到目前为止,这个问题还是个谜。

没有Y染色体的小老鼠们

同样没有Y染色体的鼹形田鼠(具有XX基因型)的性别决定机制也很有趣。

2017年发表在 Genes 上的一项研究指出,一些鼹形田鼠物种的Y染色体曾经丢失过两次,即它们在第一次丢失后曾经重新获得了新的Y染色体,而这个新的Y染色体后来再度丢失。不过在Y染色体丢失之前,它们的一部分基因往往已经转移到了X染色体上,且X染色体还获得了1个或多个多见于Y染色体的Eif2s3y基因的拷贝。

其实,不仅裔鼠属和鼹形田鼠属的啮齿动物可以放弃Y染色体直接开挂,连普普通通的小鼠都有“变性”的逆天本领。

2014年和2016年,夏威夷大学的Yasuhiro Yamauchi 和同事发现,缺乏Y染色体的小鼠如果能够过表达(某个基因产生大量目标蛋白质)Y染色体相关的基因,或是过表达和精子发生有关的非Y染色体基因,也可以产生雄性的球形精子细胞(已经完成减数分裂的单倍体精细胞)。

除了上面这些让Y染色体失去存在感的技能,其他啮齿动物还开发出了各种奇葩的性别分化和生殖方式。比如,黑足旅鼠(Myopus schisticolor)和北极旅鼠(Dicrostonyx torquatus)在传统的XX和XY之外,还具有基因型为XY(一般是雄性旅鼠)的有生育能力的雌性。想想看,如果人类具有这种能力,那么女装大佬亲自生儿育女将不是梦。

           

黑足旅鼠(Myopus schisticolor)| 图片来源:wikipedia

           

北极旅鼠(Dicrostonyx torquatus)| 图片来源:wikipedia

遍布北美的爬行田鼠(Microtus oregoni)的雌性只有一条X染色体,它们只能产生携带X的配子。而它们的雄性的基因型虽然是XY,但却只能产生Y配子或不含任何性染色体的配子(细胞分裂时染色体不分离)。

           

爬行田鼠(Microtus oregoni)| 图片来源:iNaturalist

了解了啮齿动物们五彩斑斓的“性别认同”世界后,相信你会对这些貌不惊人的小动物们刮目相看。所以问题就来了,啮齿动物是哺乳动物中的奇葩吗,它们的Y染色体为什么可以经常黑头像下线呢?

科学家们早就发现事情并不简单,这并不是啮齿动物的问题,而是Y染色体的通病。

二、Y染色体衰退

啮齿动物的Y染色体飘忽不定,究其原因和Y染色体衰退脱不了干系。澳大利亚国立大学的荣誉教授Jennifer Graves表示:“至少有两类啮齿动物已经不靠Y染色体了。在实验新的性染色体方面,啮齿动物领先于灵长动物,人类不应该沾沾自喜。”

要了解Y染色体为什么会衰退,就要先了解它是怎么来的。

关于性染色体是如何出现的,目前的主流学说认为,性染色体起源于一对同源常染色体(减数分裂时看到的两两配对的染色体),后来出现了性别决定的基因,这些决定性别的基因会和染色体上的特定位置连锁,最终演化出重组抑制,也就是说X和Y染色体不重组,不像普通的同源染色体会互相交换一段胳膊一段腿。

但是,Y染色体会变得越变越小的命运在诞生之初似乎就被决定了,这个现象后来被命名为Y染色体衰退(Y chromosome degeneration)。最早发现Y染色体衰退的是哥伦比亚大学的动物学家 Hermann Muller。在1914年,他在研究果蝇的时候发现了Y染色体衰退的现象。

           

果蝇 | 图片来源:wikipedia

1964年发表在Chromosoma上的一篇论文注意到,蛇的性染色体的形态和异形染色体的演化有着对应关系,这篇论文在学术界确立了Y染色体衰退的观念。后来有数不胜数的研究发现,在哺乳动物、果蝇,还有一些植物的演化过程中,Y染色体一直在缩小。其实和裔鼠以及鼹形田鼠类似,不少生物的Y染色体已经完全消失了,比如大多数线虫动物的基因型是XX或X0。而许多生物虽然有Y染色体,却不携带基因。

Y染色体衰退的现象事实上也出现在人类身上。在上世纪六十年代,医生们就发现,随着年龄的增长,白细胞里的Y染色体会逐渐丢失。2019年年底,剑桥大学的生物学家利用英国生物库(UK BioBank)超过20万例男性样本的研究发现,大约有20%的人已经丢失了部分Y染色体。

有许多模型尝试解释Y染色体的衰退现象。它们的共同观点是,对于一个不发生重组的染色体来说,自然选择的净效率会显著下降。如果某个染色体能够重组,那么自然选择会对不同突变分别对待;但是如果不存在重组,那么自然选择就会对整条染色体进行水桶效应式的操作——如果出现了一个有害突变,整条染色体都会遭殃。最终,Y染色体会累积有害突变,有利突变则不容易在Y染色体上累积。

不过到目前为止,Y染色体衰退的速率还是一个迷。理论上,如果Y染色体的衰退速率保持恒定,那么和年轻的Y染色体相比,老一倍的Y染色体所含的基因应该只剩一半。可是有不少生物并不符合这个规律。果蝇中的D. pseudoobscura 种的Y染色体是在1500万年前形成的,开始有3000多个基因,但是现在依然还剩十几个。黑腹果蝇(D. melanogaster)的Y染色体虽然也有6000万年的历史,但是也还有十几个基因剩着。

Y染色体衰退速率的不确定性也引发了人类对于自身的担忧:人类的Y染色体会消亡吗?会在何时消亡呢?

三、人类的Y染色体会消亡吗?

人类的X和Y染色体是在2-3亿年前单孔目分离后出现的。人类的Y染色体是个矮子,在23对染色体中,其他22对的大小都相差无几,但是只有Y染色体和X染色体相差巨大。

           

人类的Y染色体(红框)| 图片来源:wikipedia

上世纪50年代的时候,美国人类遗传学会 (American Society of Human Genetics) 主席、基因学家Curt Stern做了一次报告,在报告中他指出Y染色体携带的基因非常少。和3亿年前曾经携带与X染色体共有的600个基因的盛况相比,如今的Y染色体上只有19个基因了。

一些科学家认为,由于抗拒重组,人类的Y染色体迟早也是要凉凉的。上文提到的Graves就是这种观点的支持者。2002年,Graves和纽卡斯尔大学的R. John Aitken在《自然》上撰文指出,从早期的哺乳动物到灵长动物,Y染色体一直在缩小。他们预测,人类的Y染色体将在一千万年内绝迹。

不过,在理论悲观的大背景下,出现了一些积极的证据。这个证据是对人类Y染色体衰退的一个有力驳斥。大概在三千万年前,恒河猴就和人类发生了分化,但是恒河猴Y染色体上的基因却和人类的差不多,这意味着人类的Y染色体在过去三千万年里基本保持着稳定。

此外,2014年发表在《自然》上的一项研究显示,Y染色体上有一些重要的基因,比如调节蛋白质合成以及基因活性的基因,在心脏和血液等器官和组织里也有表达。这些重要的基因阻止了Y染色体进一步变小。

所以,小老鼠们会不会是人类演化的指南针呢?大概只有时间才能给出答案了吧。

参考文献

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