Y染色体正在慢慢消失？一种新的性别决定机制被发现：PNAS
2022-12-19 测序中国 测序中国 发表于安徽省
一种新的性别决定基因的进化伴随着风险。如果在世界的不同地区发展出不止一种新系统呢?那么性别基因的进化可能会导致新物种的分离，这也正是在鼹鼠和多刺鼠身上发生的事情。
Y染色体是人类以及大多数哺乳类的性别决定染色体之一。前期研究发现，大约在1.8亿年前，Y染色体就出现在哺乳动物体内，同时科学家们发现，Y染色体的长度正在逐渐变短，并可能在几百万年内消失。
令人惊奇的是，科学家发现啮齿类动物有两个分支已经失去了Y染色体，并且群体存活了下来。
近日，PNAS发表了一篇题为“Turnover of mammal sex chromosomes in the Sry-deficient Amami spiny rat is due to male-specific upregulation of Sox9”的研究文章。来自日本北海道大学的研究团队揭示了一种独立于Y染色体的新性别决定机制。研究团队在一种日本奄美大岛发现的濒危啮齿类动物——奄美刺鼠中，发现了一段仅存在于雄性个体中的DNA重复序列，该重复序列位于3号染色体Sox9基因序列的上游，能够促进Sox9基因表达，诱导睾丸形成。这一结果表明，奄美刺鼠的性别决定机制已经转移到3号常染色体，能够在失去Y染色体的情况下继续保持种群的繁衍。
文章发表在PNAS上
Y染色体是如何决定人类性别的
人类和其他哺乳动物一样，女性有两条X染色体，男性有一条X染色体和一条Y染色体。X染色体包含大约900个基因，它们行使着与性别无关的各种工作；Y染色体含有很少的基因 (大约55个) 和大量的非编码DNA，即简单的重复DNA。但Y染色体的威力更大，因为它含有一种非常重要的基因，可以在胚胎中启动男性的发育。
在受孕后大约12周，位于Y染色体的重要基因会开启调节睾丸发育的其他基因。胚胎睾丸产生雄性激素 (睾丸素及其衍生物)，确保婴儿发育成男孩。这个性别基因在1990年被鉴定为SRY，它通过促进SOX9基因表达发挥作用。SOX9基因是所有脊椎动物中决定雄性的关键，虽然它不存在于性染色体上。
消失的Y染色体大多数哺乳动物都有与人类相似的X和Y染色体。不过，这样一个奇怪的系统是如何进化的？令人惊讶的是，澳大利亚鸭嘴兽的性染色体完全不同，更像鸟类。在鸭嘴兽中，XY只是一对普通的染色体。这表明哺乳动物的X和Y染色体在不久之前是一对普通的染色体。
反过来，这也意味着在人类和鸭嘴兽分别进化的1.66亿年里，Y染色体已经失去了800多个活性基因，这相当于每百万年损失5个基因。按照这个速度，最后的55个基因将在1100万年后消失。
人类Y染色体即将消失的说法在学术界引起了轩然大波。直到今天，关于Y染色体的预期寿命仍有不同说法。
没有Y染色体的啮齿动物
令人欣喜的是，目前已经有两种啮齿类动物失去了Y染色体，但仍在繁衍。东欧鼹鼠和日本刺鼠的Y染色体和SRY完全消失了，X染色体在两性中以单拷贝或双拷贝保留。
虽然目前还不清楚没有SRY基因的鼹鼠是如何决定性别的，但上述由北海道大学生物学家Asato Kuroiwa领导的团队却在奄美刺鼠身上发现了“新大陆”。
Kuroiwa研究团队发现，奄美刺鼠Y染色体上的大部分基因都被转移到了其他染色体上，但没有发现SRY的迹象，也没有找到SRY的替代基因。
通过比较分析雄性和雌性奄美刺鼠的基因组序列，以及序列差异解析，研究团队发现了奄美刺鼠3号染色体上的关键性别基因SOX9附近的微小差异：在所有雄性基因组中都有一个小的重复 (在超过30亿个碱基对中只有17000个)，在雌性基因组中没有。
图1. 雄性特异性重复序列的发现，来源：PNAS
研究团队认为，这一小段复制的DNA包含了在SRY反应中正常开启SOX9的开关。将这种复制引入小鼠体内时，也的确发现这种复制可以增强SOX9的活性，所以这种变化可以让SOX9在没有SRY的情况下继续发挥功能。
图2. 特异性重复序列影响胚胎睾丸中Sox9的表达，来源：PNAS
对人类的未来意味着什么
人类Y染色体即将消失，这引发了人们对未来的猜测。一些蜥蜴和蛇是只有雌性的物种，它们可以通过孤雌生殖繁衍后代。但这不会发生在人类或其他哺乳动物身上，因为我们至少有30个关键的“印迹”基因，只有通过来自父亲的生殖细胞才能起作用。
但这项研究的新发现却支持了另一种可能性：人类也许同样可以进化出一种新的性别决定基因！
不过，一种新的性别决定基因的进化伴随着风险。如果在世界的不同地区发展出不止一种新系统呢?那么性别基因的进化可能会导致新物种的分离，这也正是在鼹鼠和多刺鼠身上发生的事情。
参考资料：
1.Terao M,. Turnover of mammal sex chromosomes in the Sry-deficient Amami spiny rat is due to male-specific upregulation of Sox9. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Dec 6;119(49):e2211574119. doi: 10.1073/pnas.2211574119.
2.https://www.sciencealert.com/the-y-chromosome-is-slowly-vanishing-a-new-sex-gene-could-be-the-future-of-men
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