Science：沒有Y染色體，同樣能生娃(附：Y染色體進化史)

Y染色體是雄性的象徵，其只存在於雄性體內，編碼了對雄性生殖十分重要的基因。現在一項新研究證實，通過輔助生殖利用無任何Y染色體基因的雄性生殖細胞也能生成活體小鼠後代。這一研究發現從新角度來探討了Y染色體基因的功能及進化。它支持了Y染色體基因可以被其他染色體上編碼的基因所替代這一假說。

兩年前，威夷大學John A. Burns醫學院生物起源研究所教授Monika A. Ward領導的研究小組，證實Y染色體只有兩個基因：睾丸決定因子Sry和精原細胞增殖因子Eif2s3y是雄性小鼠藉助輔助受精生育後代所必需的。現在，這一研究小組與來自法國的研究人員合作，向前又跨進了一步，生成了完全缺乏整條Y染色體的雄性小鼠。

在這項發表於1月29日《科學》（Science）雜誌上的新研究中，Ward和同事們描述了他們構建出「無Y染色體」雄性小鼠的過程，並確定了這些雄性小鼠產生生殖細胞並生育後代的能力。

研究人員首先用它的同源物，編碼在11號染色體上的直接靶基因Sox9替代了Y染色體基因Sry。在正常的情況下，Sry激活Sox9，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。研究人員利用轉基因技術在缺乏Sry的情況下激活了Sox9。

接下來，他們用編碼在X染色體上的同源物Eif2s3x替代了第二個必需的Y染色體基因Eif2s3y。Eif2s3y和Eif2s3x屬於同一基因家族，在序列上非常相似。研究人員推測這兩個基因有可能發揮了相似的作用，兩者的總劑量至關重要。他們通過轉基因技術過表達了Eif2s3x，將這一X染色體基因提高至超過X和Y染色體正常提供的劑量。在這樣的條件下，Eif2s3x接管了Eif2s3y的功能啟動了精子發生。

最後，Ward小組同時替換了Sry和Eif2s3y，構建出了沒有任何Y染色體DNA的XOSox9,Eif2s3x雄性小鼠。缺乏全部Y染色體基因的小鼠形成了睾丸，其中充滿了雄性生殖細胞。他們收集了圓形精子細胞，利用一種叫做圓形精子細胞注射(ROSI)的技術成功地讓卵母細胞受精。將發育胚胎移植到雌雄小鼠代孕母親體內，就生成了活體小鼠後代。

「無Y染色體」雄性小鼠的後代健康且擁有正常的壽命。「無Y染色體」雄性小鼠的女兒和外孫都具有生育能力，無需進一步的技術干預自身具有生殖能力。Ward研究小組利用ROSI生成了連續三代的「無Y染色體」雄性小鼠，證實無Y染色體基因的雄性小鼠在技術輔助下能夠多次繁殖。

Ward說：「在小鼠和人類中，大多數的小鼠Y染色體基因是成熟精子發育和正常受精的必要條件。但談到輔助生殖，現在我們證實在小鼠中Y染色體的貢獻並不是必需的。」

這項研究提供了有關Y染色體基因功能和進化的一些重要新見解。它支持了Y染色體基因與其他染色體上編碼的同源基因之間存在功能冗餘這一觀點。Ward說：「這是個好消息。因為它表明了基因組中有一些後備策略，在正常情況下沉默的這些策略在某些情況下能夠接管對應功能。我們通過基因組操控揭示了兩個這樣的策略。目前尚不知道，在沒有人類的幫助下，響應環境改變是否可以激活這樣的替代信號通路。但這是肯定有可能的，並且已經發生在了缺失Y染色體的兩個嚙齒動物物種上。」

輔助生殖技術（ART）的發展使得能夠利用不能遊動的、無活性或不成熟的生殖細胞，繞過各種正常的受精步驟。

最新的研究和Ward以往的研究報告均支持了在小鼠中ROSI是成功且有效的ART形式。在人類中，ROSI還處於實驗階段，是因為人們擔憂注射不成熟的生殖細胞的安全性及其他的技術困難。研究人員希望在小鼠研究中取得的成功可以促使重新評估人類ROSI是否適合成為未來攻克雄性不育的一種治療方案。

近年來，科學家在對Y染色體的研究中取得了不少引人注目的成果。2014年12月來自瑞典烏普薩拉大學等處的研究人員指出有抽煙習慣的男性比非煙民男性，Y染色體丟失的幾率要高三倍。這一發現也許解釋了對於大部分癌症來說，為何男性比女性患癌幾率和癌症死亡幾率都要高，而且抽煙為何對男性的影響，要比對女性的影響大。

2014年11月，Whitehead研究所的科學家們對小鼠的Y染色體進行了一次詳盡的測序，揭露了這種數量驚人且生物學複雜的動物，同時提供了一些有關哺乳動物性染色體間激烈的霸主之爭的獨特的見解。

原始出處：

Yamauchi Y, Riel JM, Ruthig VA, Ortega EA, Mitchell MJ, Ward MA.Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction.Science. 2016 Jan 29;351(6272):514-6

小知識：人類Y染色體

在人類中，起到區分個體性別的主角就是性染色體：X和Y染色體。人類是二倍體生物，其染色體都是成雙成對存在的，每對染色體都是幾乎沒有形狀差異的孿生姐妹。但是X和Y這一對性染色體就顯得有點離經叛道了：按照從大到小的染色體編號模式，在23對染色體成員中，X染色體應坐在第8把交椅上，但是與它搭檔的Y染色體只有它大小的三分之一，甚至比最小的22號染色體還要小一點。

如果你是女性，性染色體是一對XX，那麼一切正常，在女性細胞的複製與繁殖中，X染色體的行為和其它22對常染色體基本上沒有差別：一樣的兩兩互補配對，重組交換，你中有我，我中有你，彼此間朝著消弭差異的共同方向行事。但是一旦Y染色體加入遺傳信息的陣營，性染色體變成一對XY，一切就改變了。Y染色體的個子太矮，根本無法與它的搭檔X染色體進行完全的配對與重組互換，得委屈X染色體弓下腰來彎成一個圓環，然後蜻蜓點水一般與小Y染色體在頂端少量地配對、重組互換一下。這樣的交換對於維護Y染色體長久的穩定性是不夠的，因為在染色體的遺傳規律中，如果沒有重組互換的行為發生，就意味著走上滅亡的道路。那麼Y染色體是如何保持長久穩定性的？這個秘密直到2003年才被科學家揭開，原來Y染色體的獨特之處在於能夠自身進行基因的重組互換。

除了模樣與行為上的不同以外，在攜帶的基因種類與數量上也有巨大差異。如Y染色體攜帶有啟動男性形成發育的關鍵基因：SRY基因，在X染色體上沒有這樣的基因。X染色體能夠攜帶2000到3000個基因，可憐的Y染色體只能攜帶20到30個基因。並且，Y染色體上的核苷酸序列看起來根本就是一堆毫無意義的垃圾山，很難找到基因的寶藏。這樣的特性一度令人類基因組測序計劃阻滯不前。

性染色體在女性和男性細胞中具有這樣巨大的差異，會不會因此造成遺傳的紊亂呢？生命從來就是一個高度平衡體，女性細胞為了維持X染色體上的基因劑量與男性的一致，在普通的生活細胞中選擇其中一條X染色體蜷縮起來，就像將不用的衣服裝進衣櫥，並掛上一把鎖，封存。這個高度蜷縮而失去表達活性的X染色體就是所謂的「巴爾氏小體」。

充滿痛苦的進化歷程

Y染色體並不是一開始就存在的，而是基因突變的產物。在3億年以前，性染色體X和Y的原始祖先與一般常染色體並無不同，在遺傳過程中也都正常地進行著DNA的複製、染色體的聯會及同源基因的重組互換。3億年前的某一天，在其中一條原始性染色體上一個叫SOX3的基因發生突變，變成了名為SRY的基因。SRY基因是現代Y染色體上決定男性性別的關鍵基因。

科學家們是怎樣推斷出這發生在遙遠的3億年前的事件的呢？動物分類學為此做出了重大的貢獻。爬行動物的性別不是由性染色體決定的，它們通常由環境決定。例如烏龜、鱷魚等，在陽光充足的水灘上發育成雄性；在陰涼的背陰環境下發育成雌性。比爬行類高級一點的是哺乳動物中的單孔類動物，如著名的鴨嘴獸、針鼴等。單孔類動物是具有Y染色體的最古老動物，它們的性別不再是簡單地由環境決定。而哺乳動物與爬行類動物的分支進化發生在3億年前，所以科學家們推斷出Y染色體出現在那個年代。再應用分子生物學上的分子進化鍾來估計，發現X和Y染色體上的SOX3基因與SRY基因也有了3億年的分家史。

SOX3的基因突變成了SRY的基因後，又發生了一個染色體倒轉事件，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），河漢相隔，老死不相往來。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，這種行為常常導致染色體上基因的位置發生重新排列。而在Y染色體上發生的倒轉基因又不像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被Y染色體自身給切除掉了，結果隨著時間的流逝，在沒有備份可以彌補的情況下，可憐的Y染色體失掉了越來越多的基因，變得越來越萎縮，到今天只有X染色體的三分之一。

在我們的鴨嘴獸祖先出現了Y染色體後，這條執意走獨木橋的Y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。在人類中的雄性中，Y染色體上只有兩頭的部分還保留著與X染色體進行重組互換的能力，而雌性的兩條基因分布均一的X染色體在所有的部位仍進行著充分的重組互換。

就這樣，從沒有差異的原始性染色體，經過了3億多年的進化以後，Y染色體的結構發生了巨大的變化，在功能上也變得更加專一，成為啟動雄性發育的扳機。

攜帶獨一無二的雄性動物的遺傳密碼的Y染色體，它不止個頭比X染色體小，而且基因也比X要少。X染色體有超過1000個基因，而Y染色體不到200個，這200條基因中大多數甚至沒什麼用。為什麼男性基因組中會有這種奇怪的、發育不良的染色體呢？

Y染色體是一個非常特殊的且技能有限的DNA組塊。它的作用之一就是哺乳動物進化中提供雄性，但負責這項工作似乎讓Y染色體有些怪異。

在哺乳動物進化之前，X染色體和Y染色體和細胞中其它染色體沒什麼兩樣。兩個看上去也完全一樣，攜帶著相同版本的基因，它們之間可以相互影響，在遺傳細胞成熟分裂早期，即產生精子和卵子的過程中，交換遺傳物質。

交換DNA使染色體重新排序，這個過程也稱為重組。重組讓大量的各種各樣的基因組入駐精子和卵子，也是修復突變的一個重要的方法。每個染色體攜帶著相同基因的不同版本，而一條染色體中一個基因可以作為其它固定匹配的基因的模板。生物學家研究性染色體，認為Y染色體中的連環突變和重組使得它走上了一條奇怪的孤獨道路。

最初，X染色體和Y染色體都有SOX3這條基因。SOX3是轉錄因子的蛋白質家族的一部分。細胞內轉錄因子有一個非常特別的工作：它們是DNA的資料庫管理器。DNA為生成蛋白質存儲編碼指令，RNA(核糖核酸)將編碼讀取轉換至蛋白質上，轉錄因子則影響細胞對編碼的讀取。它們的角色之一就是精心的將細胞們劃分開來。SOX3幫助管理人類大腦的發育，影響現代兩棲動物和爬行動物的性腺形成，在最早的哺乳動物身上也可能扮演類似的角色。

比較哺乳動物三個分支的Y染色體：胎盤哺乳動物、有袋哺乳動物和單孔目動物，發現1.8億年前SOX3發生一系列突變，最後致使形成更加嚴格的性別決定製度。突變將SOX3轉變成一種新形式，稱為SRY基因，可能使進化中的性腺形成睾丸。其他染色體中包含SRY的部分都屁顛滾到了另一端的Y染色體上。轉變之後，X染色體和Y染色體的基因序列已不再相同，SOX3 X也和Y染色體上的SRY編碼橋歸橋路歸路了。SRY中的代碼無法修復，Y染色體將自己掃地出門了。

因為Y染色體再也無法和X染色體完美匹配，於是兩條染色體失去了重組的能力。在雌性卵子中，X染色體仍然可以其它X染色體配對完成正確的突變，而Y染色體上的錯誤不斷累積，有些基因甚至會重複一遍又一遍。染色體不同部位的DNA重新洗牌。但最重要的是，Y染色體上的基因減少了，除非它再長到以前的長度。

最終,只有現代Y染色體的最遙遠的技巧表現得像個「正常」的染色體。這些微小的部分與X分享基因,這可能幫助X和Y減數分裂期間正確地排隊。其餘的染色體- 95%——通過改變由父親傳給兒子,除了偶爾的突變。

最後，只有最最最遙遠的現代Y染色體會像「正常的」染色體那樣行事。這些最微小的部分可以和X染色體分享基因，這可以幫助X染色體和Y染色體在成熟分裂時正確排隊。其餘的95%染色體則通過父親傳給兒子，除了偶爾的突變。

大部分Y染色體上的男性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，其他部分有迴文代碼：從中心點開始到染色體兩端，一直重複的序列。這些DNA的延伸可以讓Y染色體重疊，按從前到後序列順序進行修復，也保證僅有的幾條基因正常工作。

因為呈散狀分布，實際上只有約16條基因重碼能製造蛋白質。有一些古老的關鍵性的基因是Y染色體和X染色體相同時期保留下來的古董。其中包括一種參與牙釉質形成的蛋白質和另一種在細胞內幫助建立機制關鍵部分的蛋白質。其餘的工作額度基因是Y染色體所特有的，這些基因等於生存完全沒影響：一半的人類並沒有它們也活得好好的。但在支持幫助睾丸發育和生成精子蛋白質編碼方面，從進化論的角度來看，它們責任重大。

漫長的衝突

有意思的是，通過基因突變而產生的Y染色體與X染色體並不是一對天作之合，而更像是一對互不相讓的冤家對頭。

X和Y之間的禍根最早在3億年前埋下的。當時，一個基因的突變阻止了相同大小的X和Y染色體間的物質交換。它們各自的突變越多，因失去交換而產生的差異越大，就好像一個逐漸變成了濕潤的南方水鄉，另一個卻因乾燥成了廣袤的北方旱地。這時原本功能相同的一個基因在「水鄉」的Y染色體上時可以用鈣造出堅硬發達的雄性頭角，在「旱地」的X染色體上時卻用它們來造營養豐富的乳汁。性別的差異就這樣開始形成，並且為了使各自的性別得到進一步的強化，X和Y染色體招募了更多有利於性別凸顯的基因，最終形成了維護性徵的遺傳大本營。

這樣的大本營中的基因成員對對方的成員一點都不友好。Y染色體上對雄性有好處的基因對雌性卻常有壞處；反之X染色體上對雌性有利的基因總是企圖摧毀雄性的特徵。例如最近發現的一個在X染色體上的基因DAX與Y染色體上的SRY基因——男性性器官發育及精子生成的重要開關基因——就是一對恩怨不絕的對手。在正常男性細胞中，一份DAX基因會禮讓一份SRY基因，男性特徵正常顯現，但在極少數基因異常的男性細胞中，他們的X染色體上有兩份DAX基因，這時DAX基因就會攻打SRY基因了，並輕易地就將SRY基因給打敗了，這樣的人即使細胞仍然為XY型，但長得跟女人一模一樣。

在生物體中，戰爭的機器一旦被製造出來，馬上就會啟動。性染色體之間的鬥爭有時候簡直就是將對方置之死地而後快，決不姑息。因為雌性有兩條X染色體，雄性有一條X一條Y，所以當雌雄兩對染色體相遇時，有四分之三是X，只有四分之一是Y。這樣，X染色體進化出攻擊Y染色體能力的可能性，是Y染色體進化出攻擊X染色體能力的可能性的3倍。Y染色體上的所有基因都可能受到層出不窮的X基因的攻擊，最後Y染色體丟盔棄甲，只得把絕大部分已被瞄準的基因「關閉」或者切除。這就是Y染色體越來越短，越來越「沉默不語」的深層苦衷！

這場曠日持久的戰爭使Y染色體如此萎縮，在遺傳上又是如此活力不夠，以至於生物學家們一度對它的看似必然消亡的命運擔憂不已。世界上研究Y染色體的權威專家戴濰？佩奇在那段預示不妙的日子裡，在他的茶杯上親自寫下這樣的話「拯救男性」。

Y染色體頑強自保

然而，令科學家沒想到的是，Y染色體還有極頑強的一面。

Y染色體的確雖然是人類所有染色體「書本」中最為短小的一本，但它的內容並不容易被人類掌握。在人類基因組測序計劃初期，科學家們發現，Y染色體的中間區段有太多太多的重複基因和沒有任何生理功能的惰性基因，要想從片區域鑒定出某個具體基因，實在是一件叫人發瘋的事情。一位致力於Y染色體研究的科學家形象地說，分析Y染色體上的基因，就像讓你走入一個由鏡子搭起來的小屋裡，到處都是一個相同而成鏡像的影子，甚至無法辨清天花板和地面。

直到2003年，科學家才搞清，Y染色體上大量的「影子」基因實際上就是一些所謂的遺傳密碼的迴文結構。例如ABCDEFG和GFEDCBA就構成了一對迴文結構，也可以說互成鏡像。曾經使科學家們懊惱不已的鏡子，又成了使他們順利踏入Y染色體神秘殿堂探求秘密的通道。

這些讓人無法辨別的「影子」基因，竟然在保證弱小的Y染色體億萬年不再繼續退化做出了巨大貢獻。其它所有染色體都具有與其孿生夥伴配對重組互換的能力，Y染色體則只能在兩端與它的夥伴X染色體重組互換而得到修復與保存。那麼Y染色體中間區段如何保持它的長久穩定呢？原來，就是依靠這些迴文結構，小小的Y染色體可以從中間彎起來，讓自身對等迴文部位配對並發生重組互換，如果中間某個基因不幸突變，他就可以從它對面的迴文備份中得到修復。

真是特立獨行的Y染色體，在缺少孿生夥伴的情況下，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，基因的對抗升級是一件很危險的事。我們很容易理解一個集體中的成員不達成默契的合作，必定會使集體的利益受到損害。長久不絕的基因戰爭必定使戰爭的受害者——人體的生存狀況走向式微。如果所有X染色體上的基因都想殺死含有Y染色體的精子，人類將不再有男子，最終也使X染色體上的基因失去了繁衍的機會。所以X與Y之間幾億年前就開始的戰爭到了後來漸漸平息下來，演變成一個非常理智而微妙的遊戲——這就是被威廉阿莫斯等人發現的「有選擇地清掃」的遊戲規則。經過漫長的年代，在Y染色體基本屈服以後，X染色體只會時不時地清掃Y染色體上那些與自己雷同的基因，而譬如SRY這種控制男性化的罕見基因，在正常細胞中，X染色體從來不去打擾它（但異常時X染色體偶爾也會露出其本來的崢嶸面目，要對SRY基因攻擊一番，譬如前面所說的X染色體上有兩份DAX基因時）。那些行使「清掃」功能的基因是一種推動人種女性化的基因，如果沒有SRY 基因向男性化扳回的平衡作用，人類的性別最終也要失衡。

當然，有人又該問了：為什麼在Y 染色體的兩端存在著的與X染色體相同的可以互換的基因沒有受到「清掃」呢？答案很簡單，這些基因——數量大約為5個——不是性別決定的專門基因，他們的功能僅用來維護細胞的基本生命活動，也就是一些「看家基因」，所以似乎沒有必要清掃。

從一定意義上來說，X與Y染色體之間長達數億年的戰爭以Y染色體的妥協而告終，並使Y染色體變成最弱小的染色體。但就這個看似很可憐的小傢伙，今天卻成為人類社會的主宰力量，真是令人不可思議。