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孤独而坚强的Y染色体

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发表于 2017-2-11 09:51:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
在人类中,起到区分个体性别的主角就是性染色体:X和Y染色体。人类是二倍体生物,其染色体都是成双成对存在的,每对染色体都是几乎没有形状差异的孪生姐妹。但是X和Y这一对性染色体就显得有点离经叛道了:按照从大到小的染色体编号模式,在23对染色体成员中,X染色体应坐在第8把交椅上,但是与它搭档的Y染色体只有它大小的三分之一,甚至比最小的22号染色体还要小一点。

如果你是女性,性染色体是一对XX,那么一切正常,在女性细胞的复制与繁殖中,X染色体的行为和其它22对常染色体基本上没有差别:一样的两两互补配对,重组交换,你中有我,我中有你,彼此间朝着消弭差异的共同方向行事。但是一旦Y染色体加入遗传信息的阵营,性染色体变成一对XY,一切就改变了。Y染色体的个子太矮,根本无法与它的搭档X染色体进行完全的配对与重组互换,得委屈X染色体弓下腰来弯成一个圆环,然后蜻蜓点水一般与小Y染色体在顶端少量地配对、重组互换一下。这样的交换对于维护Y染色体长久的稳定性是不够的,因为在染色体的遗传规律中,如果没有重组互换的行为发生,就意味着走上灭亡的道路。那么Y染色体是如何保持长久稳定性的?这个秘密直到2003年才被科学家揭开,原来Y染色体的独特之处在于能够自身进行基因的重组互换。

除了模样与行为上的不同以外,在携带的基因种类与数量上也有巨大差异。如Y染色体携带有启动男性形成发育的关键基因:SRY基因,在X染色体上没有这样的基因。X染色体能够携带2000到3000个基因,可怜的Y染色体只能携带20到30个基因。并且,Y染色体上的核苷酸序列看起来根本就是一堆毫无意义的垃圾山,很难找到基因的宝藏。这样的特性一度令人类基因组测序计划阻滞不前。

性染色体在女性和男性细胞中具有这样巨大的差异,会不会因此造成遗传的紊乱呢?生命从来就是一个高度平衡体,女性细胞为了维持X染色体上的基因剂量与男性的一致,在普通的生活细胞中选择其中一条X染色体蜷缩起来,就像将不用的衣服装进衣橱,并挂上一把锁,封存。这个高度蜷缩而失去表达活性的X染色体就是所谓的“巴尔氏小体”。

充满痛苦的进化历程


Y染色体并不是一开始就存在的,而是基因突变的产物。在3亿年以前,性染色体X和Y的原始祖先与一般常染色体并无不同,在遗传过程中也都正常地进行着DNA的复制、染色体的联会及同源基因的重组互换。3亿年前的某一天,在其中一条原始性染色体上一个叫SOX3的基因发生突变,变成了名为SRY的基因。SRY基因是现代Y染色体上决定男性性别的关键基因。

科学家们是怎样推断出这发生在遥远的3亿年前的事件的呢?动物分类学为此做出了重大的贡献。爬行动物的性别不是由性染色体决定的,它们通常由环境决定。例如乌龟、鳄鱼等,在阳光充足的水滩上发育成雄性;在阴凉的背阴环境下发育成雌性。比爬行类高级一点的是哺乳动物中的单孔类动物,如著名的鸭嘴兽、针鼹等。单孔类动物是具有Y染色体的最古老动物,它们的性别不再是简单地由环境决定。而哺乳动物与爬行类动物的分支进化发生在3亿年前,所以科学家们推断出Y染色体出现在那个年代。再应用分子生物学上的分子进化钟来估计,发现X和Y染色体上的SOX3基因与SRY基因也有了3亿年的分家史。

SOX3的基因突变成了SRY的基因后,又发生了一个染色体倒转事件,使本是同根生的SOX3基因(在X染色体的底部)与SRY基因(在Y染色体的顶部),河汉相隔,老死不相往来。染色体倒转是染色体内部区段发生重组的一种较常见方式,这种行为常常导致染色体上基因的位置发生重新排列。而在Y染色体上发生的倒转基因又不像X染色体一样还可以在雌性的细胞中得到孪生姐妹的修复帮助,所以这些倒转了的区段还常常被Y染色体自身给切除掉了,结果随着时间的流逝,在没有备份可以弥补的情况下,可怜的Y染色体失掉了越来越多的基因,变得越来越萎缩,到今天只有X染色体的三分之一。

在我们的鸭嘴兽祖先出现了Y染色体后,这条执意走独木桥的Y染色体就常常发生各种各样的基因倒转和删除事件,使得Y染色体上的基因越来越与众不同。在人类中的雄性中,Y染色体上只有两头的部分还保留着与X染色体进行重组互换的能力,而雌性的两条基因分布均一的X染色体在所有的部位仍进行着充分的重组互换。

就这样,从没有差异的原始性染色体,经过了3亿多年的进化以后,Y染色体的结构发生了巨大的变化,在功能上也变得更加专一,成为启动雄性发育的扳机。

漫长的冲突

有意思的是,通过基因突变而产生的Y染色体与X染色体并不是一对天作之合,而更像是一对互不相让的冤家对头。

X和Y之间的祸根最早在3亿年前埋下的。当时,一个基因的突变阻止了相同大小的X和Y染色体间的物质交换。它们各自的突变越多,因失去交换而产生的差异越大,就好像一个逐渐变成了湿润的南方水乡,另一个却因干燥成了广袤的北方旱地。这时原本功能相同的一个基因在“水乡”的Y染色体上时可以用钙造出坚硬发达的雄性头角,在“旱地”的X染色体上时却用它们来造营养丰富的乳汁。性别的差异就这样开始形成,并且为了使各自的性别得到进一步的强化,X和Y染色体招募了更多有利于性别凸显的基因,最终形成了维护性征的遗传大本营。

这样的大本营中的基因成员对对方的成员一点都不友好。Y染色体上对雄性有好处的基因对雌性却常有坏处;反之X染色体上对雌性有利的基因总是企图摧毁雄性的特征。例如最近发现的一个在X染色体上的基因DAX与Y染色体上的SRY基因——男性性器官发育及精子生成的重要开关基因——就是一对恩怨不绝的对手。在正常男性细胞中,一份DAX基因会礼让一份SRY基因,男性特征正常显现,但在极少数基因异常的男性细胞中,他们的X染色体上有两份DAX基因,这时DAX基因就会攻打SRY基因了,并轻易地就将SRY基因给打败了,这样的人即使细胞仍然为XY型,但长得跟女人一模一样。

在生物体中,战争的机器一旦被制造出来,马上就会启动。性染色体之间的斗争有时候简直就是将对方置之死地而后快,决不姑息。因为雌性有两条X染色体,雄性有一条X一条Y,所以当雌雄两对染色体相遇时,有四分之三是X,只有四分之一是Y。这样,X染色体进化出攻击Y染色体能力的可能性,是Y染色体进化出攻击X染色体能力的可能性的3倍。Y染色体上的所有基因都可能受到层出不穷的X基因的攻击,最后Y染色体丢盔弃甲,只得把绝大部分已被瞄准的基因“关闭”或者切除。这就是Y染色体越来越短,越来越“沉默不语”的深层苦衷!

这场旷日持久的战争使Y染色体如此萎缩,在遗传上又是如此活力不够,以至于生物学家们一度对它的看似必然消亡的命运担忧不已。世界上研究Y染色体的权威专家戴潍?佩奇在那段预示不妙的日子里,在他的茶杯上亲自写下这样的话“拯救男性”。

Y染色体顽强自保

然而,令科学家没想到的是,Y染色体还有极顽强的一面。

Y染色体的确虽然是人类所有染色体“书本”中最为短小的一本,但它的内容并不容易被人类掌握。在人类基因组测序计划初期,科学家们发现,Y染色体的中间区段有太多太多的重复基因和没有任何生理功能的惰性基因,要想从片区域鉴定出某个具体基因,实在是一件叫人发疯的事情。一位致力于Y染色体研究的科学家形象地说,分析Y染色体上的基因,就像让你走入一个由镜子搭起来的小屋里,到处都是一个相同而成镜像的影子,甚至无法辨清天花板和地面。

直到2003年,科学家才搞清,Y染色体上大量的“影子”基因实际上就是一些所谓的遗传密码的回文结构。例如ABCDEFG和GFEDCBA就构成了一对回文结构,也可以说互成镜像。曾经使科学家们懊恼不已的镜子,又成了使他们顺利踏入Y染色体神秘殿堂探求秘密的通道。

这些让人无法辨别的“影子”基因,竟然在保证弱小的Y染色体亿万年不再继续退化做出了巨大贡献。其它所有染色体都具有与其孪生伙伴配对重组互换的能力,Y染色体则只能在两端与它的伙伴X染色体重组互换而得到修复与保存。那么Y染色体中间区段如何保持它的长久稳定呢?原来,就是依靠这些回文结构,小小的Y染色体可以从中间弯起来,让自身对等回文部位配对并发生重组互换,如果中间某个基因不幸突变,他就可以从它对面的回文备份中得到修复。

真是特立独行的Y染色体,在缺少孪生伙伴的情况下,竟然以自力更生的方式得以保全自己的身家性命!

因合作而拯救

然而,基因的对抗升级是一件很危险的事。我们很容易理解一个集体中的成员不达成默契的合作,必定会使集体的利益受到损害。长久不绝的基因战争必定使战争的受害者——人体的生存状况走向式微。如果所有X染色体上的基因都想杀死含有Y染色体的精子,人类将不再有男子,最终也使X染色体上的基因失去了繁衍的机会。所以X与Y之间几亿年前就开始的战争到了后来渐渐平息下来,演变成一个非常理智而微妙的游戏——这就是被威廉阿莫斯等人发现的“有选择地清扫”的游戏规则。经过漫长的年代,在Y染色体基本屈服以后,X染色体只会时不时地清扫Y染色体上那些与自己雷同的基因,而譬如SRY这种控制男性化的罕见基因,在正常细胞中,X染色体从来不去打扰它(但异常时X染色体偶尔也会露出其本来的峥嵘面目,要对SRY基因攻击一番,譬如前面所说的X染色体上有两份DAX基因时)。那些行使“清扫”功能的基因是一种推动人种女性化的基因,如果没有SRY 基因向男性化扳回的平衡作用,人类的性别最终也要失衡。

当然,有人又该问了:为什么在Y 染色体的两端存在着的与X染色体相同的可以互换的基因没有受到“清扫”呢?答案很简单,这些基因——数量大约为5个——不是性别决定的专门基因,他们的功能仅用来维护细胞的基本生命活动,也就是一些“看家基因”,所以似乎没有必要清扫。

从一定意义上来说,X与Y染色体之间长达数亿年的战争以Y染色体的妥协而告终,并使Y染色体变成最弱小的染色体。但就这个看似很可怜的小家伙,今天却成为人类社会的主宰力量,真是令人不可思议。

2014-11-21生物谷生物谷



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