染色體的故事之——Y染色體DNA

02-08

一、Y染色體的演化

人類有23對染色體，其中22對是常染色體，1對是性染色體。男性的性染色體是XY,女性是XX。那麼Y染色體是從什麼時候產生的，是怎麼來的呢。這一章我們主要講講這個問題。

Y染色體並不是一開始就存在的，它也是基因突變的產物。大約在3億年以前，性染色體X和Y的原始祖先還是和其他常染色體一樣，大小對等、形狀一致，在遺傳過程中也會正常地進行著充分地DNA的複製、染色體的聯會和同源基因的重組互換。

當時生物的性別並不是由性染色體決定，而是通常由外部環境（如溫度、濕度）決定。例如爬行類動物中的鱷魚、蛇、龜等，它們的蛋在陽光充足的沙灘上孵化的話，就會發育成雄性；而在陰涼的背陰環境下發育的話則會成雌性。

但是一次偶然的突變事件使得這種情況發生了變化，兩條原始性染色體祖先中的一條，在一個叫SOX3的基因上發生了突變，變成了名為SRY的基因。SRY的基因可能促使進化中的性腺形成睾丸，而正是這個SRY基因，決定了雄性性別的關鍵。

SOX3的基因突變成為SRY基因後，又有過一次染色體倒轉的事件發生，使本是同根生的SOX3基因（在X染色體的底部）與SRY基因（在Y染色體的頂部）一上一下，如同牛郎織女一般，星漢兩隔，不能聚首。

染色體倒轉是染色體內部區段發生重組的一種較常見方式，這種方式會導致染色體上基因位置發生重新排列。而在Y染色體上發生倒轉，又不像X染色體一樣還可以在雌性的細胞中得到孿生姐妹的修復幫助，所以這些倒轉了的區段還常常會被Y染色體給刪除掉，在沒有備份可以彌補修復的情況下， Y染色體刪除掉了越來越多的基因，從最初攜帶的2000多個基因，到現在剩下不足100個，所以變得越來越小，只有X染色體的三分之一大小。

自從出現了Y染色體後，這條特立獨行的染色體就常常發生各種各樣的基因倒轉和刪除事件，使得Y染色體上的基因越來越與眾不同。在人類中的女性中，兩條基因分布均一的X染色體在所有的部位仍然沿著古老的法則，進行著充分的基因重組和互換；而男性中則缺少了這種基因重組互換的機制。

我們知道基因重組的過程，除了使染色體重新排序、交換DNA，它也是修復突變的一個重要方法。而有一部分突變可能會帶來不利的影響，DNA正是通過基因重組來修復這些可能有害的突變。而Y染色體卻失去基因重組的步驟，這是不是變得異常的危險了呢？

實際的答案是否定的。Y染色體自己有一套解決機制。

首先，Y染色體的兩端5%大小的部分，還保留著與X染色體進行重組互換的能力，這樣可以幫助X和Y在減數分裂期間正確地排隊，不會造成混亂。另外，在這裡還保留了大概5個左右的基因，這些基因不決定性別，但是具有維護細胞的基本生命活動的重要功能。

其次，Y染色體剩下的95%的部分（命名為男性特異區MSY），除了偶然的突變外，絕大部分是嚴格按照祖傳父、父傳子的方式，代代相傳。這部分區域並不能生成有用的蛋白質，大部分都是反覆重複相同的代碼序列和大量的迴文結構。所謂的迴文結構，就像古人做的迴文詩一樣，迴文的兩句從首端向尾端讀和從尾短向首端讀都是一樣的結構，類似於：「人過大佛寺」和「寺佛大過人」這兩句，就構成了一對迴文結構，也可以說是互成鏡像。這種結構，曾經使得研究和測序Y染色體變的異常困難。但正是這種迴文結構，才使得Y染色體雖然沒有孿生同伴進行重組交換的情況下，依然會屹立不倒。

原來，在這些迴文結構中，Y染色體可以從中間進行對摺，讓自身對等的迴文部位配對並發生重組互換。在這過程中，如果發現其中某個基因突變了，他就可以從它對面的迴文備份中獲得模版，從而進行修復。

就這樣，在最初並沒有差異的一對原始性染色體，經過了3億多年的演化以後，Y染色體因為不斷的倒轉和刪除、保留和獲得，使得它的結構發生了巨大的變化，體現在功能上也變得更加專一，剔除了其他無關的冗餘基因，單獨保留了專業打造成為了啟動雄性發育的扳機。

Y染色體上決定男性性別和精子生成最重要的兩個基因分別是：SRY基因（睾丸決定因子）和Eif2s3y（精原細胞增殖因子）。其中SRY會啟動一連串的分子事件，最終使得具有XY染色體的胚胎髮育為雄性。Eif2s3y則會主導精子的生成。

上面我們提到的Y染色體主幹部位上佔95%的男性特異區（MSY），由於嚴格遵循這父子相傳的規律，即使產生新的突變也會如實地被他的支系子孫嚴格地繼承，這就如同上帝在我們黑暗的人類進程中，給我們打開了一扇了解我們人類父系祖先的天窗，這也使得Y染色體在譜系遺傳學研究中擁有著特殊的意義。這個我們將在後面的章節進行講解。

參考文獻：

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二、 Y染色體的結構

人類的Y染色體約57～59Mbp長，結構上分為短臂、長臂和著絲粒三部分，又可以進一步細分為擬常染色體區、常染色質區和異染色質區等部分「1」。其中擬常染色體區（PAR）分布位於Y染色體的兩端，短臂末端的稱為PAR1，長約2.5Mb；長臂末端的稱為PAR2，長約1Mb。二者總長約佔Y染色體的5%。這個區域會在減數分裂的過程發生X-Y的交換重組。剩餘的95%的區域，最早命名為非重組區（NRY），後來由於發現該區域內部存在基因轉換頻繁和內部重組，又被Skaletsky「2」等重新命名為男性特異性區域（MSY）。

男性特異性區域（MSY）中，異染色質區域約佔總長度的一半左右，具體長度是可變的，並且不進行轉錄，具有高度的重複序列，目前還未對之進行測序。

剩下的常染色質區域序列由：X退化區（XDG）、X置換區（XTR）和擴增區（Ampliconic）三部分組成。

X-退化區約8.6Mb，是現代 X 染色體和 Y 染色體進化過程中殘留的古代染色體成分，其中保留了性別決定因子。

X-置換區約3.4Mb ，其中99%的序列與 X 染色體相同。

擴增區約10.2Mb，表現為染色體內高度相似的重複序列，序列之間難以進行區分。而且擴增區還存在八個大的迴文結構。

這三個部分中，排除掉染色體內和染色體間高度重複的部分，剩下大概只有10 Mb的序列是可以被用來測序的，這個區域內發生的突變也是明確可以被用來使用的「3」。這個部分也就是我們做Y染色體測序的時候重點覆蓋的區域。我們也就不難理解，為什麼Y染色體有59Mb的長度，但是稱為Y染色體全測序的產品基本都只測其中10Mb左右的區間的原因了。

1. Hughes J F,1 Rozen S . Genomics and Genetics of Human and Primate Y

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3. Skaletsky H, Kuroda-Kawaguchi T, Minx PJ,et al.The male-specific region of

the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes[J].Nature. 2003

Jun 19;423(6942):825-37.

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