奄美刺鼠。圖片來源：ASATO KUROIWA

對(duì)于任何哺乳動(dòng)物來說，Y染色體的丟失都意味著雄性減少和物種滅絕。因此，在沒有Y染色體的情況下，奄美刺鼠的生存問題幾十年來一直困擾著生物學(xué)家。如今，日本北海道大學(xué)的Asato Kuroiwa和同事發(fā)現(xiàn)，大鼠的一條正常染色體已經(jīng)有效進(jìn)化為新的雄性染色體。相關(guān)論文11月28日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

“包括人類在內(nèi)的許多哺乳動(dòng)物的Y染色體在數(shù)千萬年來一直在減少，最終可能會(huì)消失。”Kuroiwa說，奄美刺鼠就說明了這種可能性。

動(dòng)物界有許多不同的性別決定系統(tǒng)，但在幾乎所有哺乳動(dòng)物中，性別取決于X和Y染色體。如果一個(gè)胚胎繼承了兩條X染色體，它就會(huì)發(fā)育成雌性；如果繼承了X和Y染色體，它就會(huì)發(fā)育成雄性。

這是因?yàn)閅染色體有一個(gè)名為SRY的基因，該基因會(huì)啟動(dòng)其他染色體的“男性”基因——最重要的是SOX9基因，它會(huì)觸發(fā)睪丸的發(fā)育。

在奄美大島發(fā)現(xiàn)的奄美刺鼠是少數(shù)缺乏Y染色體的哺乳動(dòng)物之一。此外，雌性和雄性一樣都只有一條X染色體。

雌性哺乳動(dòng)物的存在表明，減少的Y染色體不包含任何關(guān)鍵基因，因此細(xì)胞和個(gè)體可以在失去Y染色體的情況下存活下來。最新研究表明，隨著雄性年齡的增長，Y 染色體往往會(huì)從細(xì)胞中消失。整個(gè)種群中Y染色體的丟失將導(dǎo)致物種滅絕，因?yàn)椴粫?huì)再有更多雄性。

為了弄清雄性刺鼠是如何存在的，Kuroiwa團(tuán)隊(duì)首先對(duì)幾只雄性和雌性刺鼠的基因組進(jìn)行測序，但沒有發(fā)現(xiàn)任何雄性特有的變異。然后他們更仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在雄性刺鼠中，3號(hào)染色體兩個(gè)副本中的一個(gè)有重復(fù)區(qū)域，就在SOX9的旁邊。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，包括將重復(fù)區(qū)域添加到刺鼠體內(nèi)，以表明這種復(fù)制增強(qiáng)了SOX9的活性，從而有效取代了SRY。這意味著有重復(fù)的3號(hào)染色體變成了“原Y染色體”，而沒有重復(fù)的染色體是“原X染色體”。

英國弗朗西斯·克里克研究所的Robin Lovell-Badge是發(fā)現(xiàn)SRY基因的研究人員之一。他說，為了證明這一點(diǎn)，研究小組必須刪除刺鼠的重復(fù)基因，以證明沒有雄性刺鼠發(fā)育。這種實(shí)驗(yàn)是無法進(jìn)行的，因?yàn)榇淌笫且环N瀕危物種。“然而，他們所掌握的證據(jù)非常可信。”他說。

這種復(fù)制一定是在200萬年前的某個(gè)時(shí)候出現(xiàn)的，因?yàn)槟菚r(shí)奄美刺鼠從仍有Y染色體的相關(guān)物種中分化出來。一旦染色體出現(xiàn)重復(fù)，Y染色體的丟失將不再導(dǎo)致所有雄性的消失。Kuroiwa認(rèn)為，在一段時(shí)間內(nèi)，島上可能存在有Y染色體和沒有Y染色體的雄性混合種群。

“我認(rèn)為這是一項(xiàng)出色的工作，證據(jù)非常確鑿。”澳大利亞樂卓博大學(xué)的Jenny Graves表示，她在2002年曾有爭議地宣稱，人類的Y染色體最終將在大約1000萬年后丟失。“沒有理由證明人類的Y染色體比刺鼠的更強(qiáng)健。”她說。Kuroiwa也同意她的觀點(diǎn)，認(rèn)為Y染色體會(huì)消失。

但Lovell-Badge指出，這篇論文非常清楚地表明，哺乳動(dòng)物進(jìn)化過程中丟失Y染色體是一個(gè)非常罕見的事件。因?yàn)檠倜来淌蟮膬尚袁F(xiàn)在都只有一個(gè)X染色體，后者也可能隨著時(shí)間推移而丟失。“由于它是不穩(wěn)定的，而且突變?cè)诜e累，我認(rèn)為X染色體最終也會(huì)消失。”Kuroiwa說。

然而，如果奄美刺鼠的后代存活時(shí)間足夠長，它的原X和原Y染色體很可能沿著與X和Y染色體相同的路線進(jìn)化，原Y染色體會(huì)減少，并與原X染色體不同。

相關(guān)論文信息：

http://doi.org/10.1073/pnas.2211574119

（原標(biāo)題《如果沒有了Y染色體……老鼠基因研究揭示人類未來》）