Y染色体不为人知的奥秘

 

在前面的《传奇的Y染色体——权力与暴力》一文的末尾我们讨论了Y染色体的未来。有学者推测:Y染色体可能以后会完全消失。这样的论调似乎引起了部分男同胞的担忧,那么,问题来了:Y 染色体未来当真会消亡吗?

 

最近发表的一些研究提出了一个令人安心的假说,作者们认为 Y 染色体上的一些关键基因发挥了保护作用,能够保护自身免于消亡。这下男同胞们可以放心了。不仅如此,小小的Y染色体还有一些鲜为人知的小秘密哦,我们一起去了解下吧。

 

缩水的Y染色体

 

缩水的Y染色体

图片来源:360图片

 

Y 染色体比它所对应的 X 染色体要小得多。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。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。

 

额,也就是说Y 染色体可能会消失,但它上面的与繁殖相关的重要基因会在它消失以前全体转移到常染色体上。但最新研究提出了“Y 染色体持久假说”(persistent Y hypothesis),描绘了一副完全不同的蓝图,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。

 

Y染色体比想象中坚强

 

Y染色体比想象中坚强

图片来源:360图片

 

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”。

 

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,“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。”

 

减数分裂这个名词小伙伴们应该都不陌生: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 Zfy1、Zfy2 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。

 

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。

 

颠覆认知:小鼠Y染色体上的性别决定基因Sry是由两个不同的DNA部分组成的

 

众所周知,哺乳动物的性别决定基因Sry诱导雄性发育。自30年前发现以来,Sry一直被认为是一个单一的基因,并被写入生物学教科书,而最近的一项研究颠覆了这个普遍接受的认知。 近日,澳大利亚昆士兰大学的一项国际合作研究发现,成年小鼠的Y染色体Sry基因是由两个不同的DNA部分组成的,而不是科学家先前认为的只有一个,其还有一个神秘的第二外显子。相关成果发表于《Science》上。

 

小鼠Y染色体上的性别决定基因Sry

DOI: 10.1126/science.abb6430

 

功能丧失和功能获得分析表明,双外显子SRY(SRY-T)才是真正的睾丸决定因素。缺少Sry-T的雄性小鼠(XY)发育为雌性,而携带Sry-T转基因的雌性小鼠(XX)发育为雄性。令人惊讶的是,实验的成功率几乎是100%。

 

此外,Sry-T信使RNA的表达与标准单外显子型SRY-S类似,但SRY-S的C末端包含蛋白质降解基序或降解决定子,而SRY-T的C末端不存在降解决定子。 这一发现推翻了已经流行30多年的关于小鼠Sry结构的结论,这是研究最深入的性别决定哺乳动物模型。对SRY-T的进一步研究将确定神秘的外显子2除了赋予SRY蛋白质稳定性外是否还赋予其他新功能。并且,与其他哺乳动物相比,将更全面地了解小鼠中决定性别的级联如何被激活。 昆士兰大学分子生物科学研究所名誉教授 Peter Koopman 强调,该发现可能适用于在农业中操纵性别比例或对生物虫害进行管理。

 

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