|
|
经典理论认为Y染色体注定退化、甚至会消失。但在这篇来自《环球科学》2025年8月新刊的文章中，本刊记者张琪向我们讲述了不同生物所展现出的多种多样的演化策略，这或许也能为人类的将来带来一些启示。
 《环球科学》2025年8月新刊贩卖中点击原文进入购买页面
本刊记者 | 张琪
“人类的Y染色体时日无多。”2004年，澳大利亚遗传生物学家詹妮弗·格雷夫斯（Jennifer Graves ）的一句话引发了巨大的讨论。背后的逻辑非常简单：基因组研究告诉我们，在大约1.8亿年前，（将来） 人类的X和Y染色体还完全雷同。可如今人类X染色体承载着凌驾850个功能各异的基因，Y染色体的长度却已经萎缩到X染色体的约三分之一，在大量看似无用的重复DNA序列之间，只剩下了48个编码蛋白质的基因。“按照目前的退化速度，”格雷夫斯在文章中写道，“1000万年后，人类的Y染色体就将完全消失。”
经典理论认为，Y染色的逆境来自一场演化上的“冒险”。性染色体曾开端于一对完全雷同的常染色体。直到一个能够决定性别的关键突变出现在其中一条染色体上，一切都改变了。为了确保这个基因能够精准遗传给雄性后代，而不会在细胞减数分裂时意外“跑”到X染色体上，生物采取了一个看似合理的策略：限制X和Y染色体之间的基因交换，这个过程也被称为重组克制。
重组克制包管了性别的稳定存在，但也带来了巨大的代价。想象你有两本完全雷同的词典，即使其中一本意外出现了错误（比如某页被撕毁或涂改），也可以立刻翻开另一本完好的副本对比修正。这就是染色体同源重组的功能——它是维持基因组稳定的关键校对机制。但重组克制就像关闭了校对系统，将Y染色体酿成了一套孤本。
这塑造了Y染色体在大众心中的经典样貌。1905年，当美国生物学家妮蒂·史蒂文斯（Nettie Stevens）第一次在显微镜下看到黄粉虫的Y染色体，并提出染色体的区别决定了生物的性别时，她看到的就是一条明显更小的染色体。在生物课本上，我们习惯了视严重缩小的Y染色体为人类23对染色体中的异类。而在大量遗传学研究中，作为经典模型的果蝇等生物也完善验证了理论为Y染色体规定的命运——一旦形成，就只能不断衰退。
“从某种角度来说，性别的开端是有代价的，”浙江大学生命演化研究中心的周琦表明道，他不绝致力于研究性染色体和性别决定机制的演化。雌性和雄性的分别普遍存在于生命演化之树中，这曾让人们认为性染色体演化也一定有一套足够稳定和普适的理论系统。然而，比年来对大量非模式生物的研究已经发现了越来越多演化中的“例外”。面对Y染色体退化的“陷阱”，不同生物展现出了多种多样的办理方式。
跳跃的雄性基因
对人类而言，生理性别的法则非常明确，很难想象一个人的Y染色体会因为出生在南方还是北方而有所不同。然而，常见的家蝇（Musca domestica）就彻底颠覆了这种认知。
在北半球寒冷的高纬度地区，家蝇的性别决定系统非常“正常”：它们拥有5条常染色体和一对差异明显的X和Y染色体。然而，在天气更温和的低纬度地区，这条Y染色体在一些家蝇种群中彻底消失了——这里的雄性家蝇和雌性一样，也拥有两条X染色体。而它们的雄性基因酿成了一个“流浪者”，可以停在5对常染色体中的任意一对上。在一些极端环境下，这个决定雄性性别的基因甚至会跳到X染色体上。
2024年，一项发表于《自然·通讯》 （Nature Communications）的研究发现，雄性基因的移动与一类能在基因组中“跳来跳去”的DNA片段有关 ：在5号常染色体上的Mdmd基因两端，存在一种被称为“末端反向重复序列”（TIR）的特殊DNA片段。这些片段就像一根打包绳，可以将中间的基因打包在一起，再“剪切”下来，“粘贴”到基因组中的一个全新位置。而这个被“搬来搬去”的Mdmd基因就负责拨动性别的开关，让胚胎向雄性分化。
可以想象，这个雄性决定基因的跳跃会让家蝇的性别决定系统变得非常杂乱。最直接的后果是，如果Mdmd基因同时出现在不同染色体上，那么有的个体可能会拥有多个性别决定基因。“我们的确看到了这样的现象，”现任南京农业大学植物保护学院副教授的李晅说道，他是《自然·通讯》这篇论文的第一作者。在他于荷兰格罗宁根大学就读博士学位期间，他的导师利奥·博克博姆（Leo Beukeboom）经常带着学生，去欧洲各地的农场或居民垃圾桶附近收集家蝇，再用孵化盒带回实行室饲养。在这些从各地收集而来的家蝇中，他们曾注意到“一个个体可以有两条、三条，甚至四条染色体同时携带性别决定基因”。
这些发现或许可以回答一个紧张问题：为什么家蝇要允许这个关乎物种存续的基因在染色体间游荡。一个初步的料想是，这种杂乱本身，可能就是一种更高明的均衡策略。在家蝇体内，存在一个名为Mdtra的基因，有时，研究者会称它为“雌性基因”，因为这个基因正常发挥功能时，会引导胚胎走上雌性发育的道路。Mdmd的作用，就是精准克制“雌性基因”。
然而在某些家蝇体内，存在一种被非常加强的“超级雌性基因”，它强大到足以反抗单个Mdmd基因的克制。在这种环境下，多个雄性决定基因协同，或许就成了重新均衡性别天平的关键。这其实体现了在性别决定过程中，雄性和雌性之间的“对抗均衡”。但李晅也强调，目前这只是一种猜测，“将来还须要更多工作验证”。
减缓退化
当欧洲各地的家蝇正在博克博姆的实行室飞舞时，在浙江大学周琦的实行室内，几颗蓝色的鸸鹋蛋也在孵化箱中慢慢发育。周琦对这些不会飞的大鸟的爱好始于浙江大学生命演化研究中心张国捷教授发起的“万种鸟基因组”（Bird 10K Genomes，B10K）计划。2014年，他们根据B10K计划的初步成果，在《科学》（Science）杂志上发表了一幅鸟类性染色体演化的历史图谱。
鸟类的性别决定法则与哺乳动物正好相反：雄性是ZZ，而雌性是ZW。同样奇特的是，鸟类的W染色体并没有走上整齐划一的衰退之路：家鸡的W染色体已经和人类的Y染色体一样严重退化，在显微镜下就像一个深色的小点；然而，鸸鹋和鸵鸟等平胸目鸟类的W染色体仍旧保留了近三分之二的长度，并且大部门区域依然可以和Z染色体重组。
鸸鹋和鸵鸟并没有经历过性染色体的“换新”，它们只是退化得比其他鸟类更慢而已。2021年，周琦团队深入对比了鸸鹋和另外11种鸟类的基因组，他们发现鸸鹋、鸵鸟这类大型鸟类的染色体倒位重排现象少得多，这意味着它们的演化速率也比其他鸟类更低。
图片来源：Unsplash+
一个可能的表明是这些大鸟独特的社会行为。平胸目鸟类，如鸵鸟、鸸鹋和食火鸡等，是少数演化出了父亲单亲哺育传统的鸟类。“母鸟生完蛋后就不管了，由父亲全职孵蛋和照顾幼鸟。”周琦介绍道。与其他鸟类相比，这让鸸鹋面临的性选择压力弱得多。
性选择被认为是驱动重组克制区域扩大，进而导致无法重组的性染色体快速退化的焦点动力，因为它会加剧“两性对抗”：对雄性有利的基因（例如让孔雀拥有华丽羽毛的基因）却可能对雌性有害，那么将它们锁定在特定染色体上便是最佳策略。这会不断推动重组克制区域的扩大，加速孤立染色体的退化。
周琦猜测，平胸目鸟类的父亲单亲哺育行为极大缓和了这场对抗： “如果雄性必然会在后代哺育中投入巨大，雌性在择偶时可能会变得不那么挑剔——因为她生育的代价减轻了。”这一点也直观地反映在平胸目鸟类的外观上：鸸鹋和鸵鸟的雌雄个体长得几乎一模一样，只有一些体型上的差异。对它们来说，更弱的性选择，或许让W染色体得以继续与Z染色体保持较大范围的重组，从而避免了性染色体的迅速退化。
青春之泉
然而，依然有一些生物钻了重组克制的空子，让Y染色体可以得到源源不断的修复。瑞士演化生物学家尼古拉斯·佩林（Nicolas Perrin）给这套机制起了一个邪术般的名字——“青春之泉”（Fountain of Youth）。
欧洲普通林蛙的性别并非完全由遗传决定，它们的Y染色体因此获得了与X染色体重组的机会。（图片来源：Nicolas Perrin）
在佩林的职业生涯中，一项紧张的任务就是在风景如画的阿尔卑斯山间收罗欧洲常见的普通林蛙（Rana temporaria），再把它们带回瑞士洛桑大学的实行室。对佩林来说，林蛙的性染色体是一个巨大的悖论：一方面，雄性林蛙的X和Y染色体似乎存在着广泛的重组克制；但另一方面，林蛙的Y染色体毫无退化的迹象，甚至在显微镜下，这对性染色体的形态都毫无差异。
为了办理这个悖论，佩林和团队收罗了300多只林蛙，精确追踪后代中发生的重组变乱。这项结果让佩林找到了林蛙维持Y染色体不退化的“青春之泉”：他们发现，林蛙的重组克制与染色体布局无关，只与个体的性别有关。在全部雄性体内，染色体绝大部门区域的重组都被严格克制；而在雌性体内，重组则可以正常发生。
这一发现之所以紧张，是因为林蛙的性别决定机制本身是“不完善”的，佩林将其形容为“漏水的”（leaky）性别，这意味着遗传因素和环境因素会共同作用，决定林蛙后代是雄性还是雌性。因此，在他们研究的种群中，存在三种不同的雄性：经典的XY型、X和Y染色体只有极小差异的XY°型，以及最特殊的XX型雄性。只管遗传构成不同，但这三种雄性在外观、交配成功率、甚至体内性染色体的重组克制程度上都没有区别。
“非常幸运地，”佩林说道，“我们捕捉了一只发生了性逆转的XY雌性。”相比频繁出现的XY°型和XX型雄性，XY雌性极其稀有。在这次捕捉的54只雌性林蛙中，只有这一只是XY雌性。但正是它让研究团队意识到，林蛙是否发生重组克制只由个体的性别决定。“这是第一个直接的野外证据，”佩林在论文中写道，“证实X和Y染色体可以在性别逆转的雌性体内发生重组。”
对于整个林蛙种群来说，这只雌性也至关紧张。它体内的性染色体可以自由地重组，这意味着那条在雄性体内关进了“禁闭室”、不断积累突变的Y染色体，只要有机会进入一个雌性个体体内，就能利用X染色体为蓝本，进行一次全面的“修复”和“校对”，扫撤除全部的遗传损伤。
性染色体的“例外”：在经典理论中（蓝灰色框内）， 性染色体开端于一对完全雷同的常染色体。随着性别决定基因固定在其中一条染色体上，这条染色体就会成为Y染色体（或W染色体），并因为重组克制而不断退化。然而比年来对大量非模式生物的研究已经发现了越来越多演化的“例外”。
烫手山芋
并非全部蛙类都满足于这套修复系统。佩林对蛙类性别决定机制的深入研究，展现了另一种截然不同、甚至更加激进的策略。和家蝇类似，这个策略的焦点思想是：如果Y染色体注定要衰退，那就干脆在它变得太糟之前，彻底抛弃它。
2018年，一项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究绘制了一幅涵盖了28种蛙类的家族树。通过追溯每个分支的性染色体，佩林和团队重建了这些物种性染色体的更替历史。 结果令人震惊：在短短5500万年的演化历程中，这些蛙类至少更换了13次性染色体，这意味着它们的性染色体平均“年龄”还不足360万年——在演化的时间尺度上，这几乎是转瞬即逝。这种更替的频繁程度，甚至导致有些物种内部都尚未统一：生活在北美的豹蛙（Rana pipiens），其东部和西部的种群就分别使用2号和5号染色体作为性染色体。
佩林和互助者给出了一种新的表明，他们认为性别决定基因在这里酿成了一个 “烫手山芋”（hot-potato）。一旦某条染色体酿成了严格的Y染色体，让拥有这条染色体的后代只能成为雄性，它就会彻底失去在雌性体内重组的机会。这条Y染色体很快就会因为携带了太多“遗传垃圾”而变得适应性低下，此时，任何能够将性别决定基因转移到新的、健康的常染色体上的突变，都会获得巨大的选择优势。于是，坏掉的旧Y染色体被抛弃，新的性染色体被选中。周而复始，性染色体的角色就像一个“烫手山芋”一样，被不同常染色体扔来扔去。
从另一个角度说，这些蛙类逃避Y染色体陷阱的“代价”，“可能是因为蛙类的两性差异往往很小，”佩林表明道，“蛙类的性别差异是由常染色体的差异表达控制的，而不是由雄性将某些基因固定在唯一一条Y染色体上……将雄性酿成雌性，或是变回来，只需一点性激素的波动就可以。”一项发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的研究就曾发现，一种广泛使用的除草剂可以破坏成年雄性田鸡的生殖系统，由于缺乏睾酮，其中10%的雄性会转变为雌性。“鸟类和哺乳动物的性别有一系列复杂而周密的调控过程，这赋予了我们更明显的两性特质，”佩林说，但这也堵住了通过转换性别逃避Y染色体陷阱的道路。
另一种选择
即使注定要走上Y染色体退化的道路，一些哺乳动物也能够展示出不一样的可能性。在动物王国中，鸭嘴兽绝对称得上最奇怪的动物之一，这份怪异也体现在它们的染色体上——鸭嘴兽有足足5对性染色体。
早在2004年，澳大利亚国立大学的弗兰克·格鲁茨纳（Frank Grützner）和团队就发现，在减数分裂时，这10条性染色体并不会像筷子一样两两单独配对，而是会连成一条长链，长链中的X和Y染色体会头尾交替配对分列，再依次进入不同的配子。
图片来源：Unsplash
直到2021年，这条“染色体之链”的完整开端和布局才被彻底揭开。周琦和张国捷等国内学者联合澳大利亚国立大学的遗传学研究团队，成功组装了雄性鸭嘴兽染色体级别的全基因组序列。鸭嘴兽的X和Y染色体之所以可以排成一条长链， 就是因为它们之间存在一些同源区域，从而可以借助这些区域的相似性连在一起。然而这项研究发现，雄性鸭嘴兽的5号Y染色体与配对的5号X染色体并不相似，反而与链条另一端的1号染色体惊人地同源。
这个发现指向了一个更为奇特的先人状态：鸭嘴兽的10条性染色体，曾经可能并非一条链，而是一个闭合的“环”。决定性别的关键基因曾分别位于X1和Y5上。研究人员推测，X1-Y5的配对区域，正是整个系统中最早发生重组克制的地方。随着Y5的逐渐退化，它与X1的同源性慢慢丧失，终极导致了这个古老染色体环的断裂，形成了我们今天看到的5对性染色体。
大约1.8亿年前，哺乳动物诞生后，包括鸭嘴兽在内的单孔目动物先人率先与我们的先人分道扬镳。那时将来人类的XY染色体还是一对常染色体，而鸭嘴兽走上了截然不同的道路。在1.8亿年后，当我们再次与这些奇妙的物种重逢，这场演化实行再次提醒我们，自然的脚本远比我们想象中更加丰富和富有创造力。
失去Y染色体之后
即使看到了云云多的例外， 一个无法避免的问题是：如果Y染色体终将消失，人类将面临怎样的命运？好消息是，至少已经有一些啮齿动物失去了Y染色体，并依然存活至今，让我们可以得到一些线索。
奄美刺鼠（Tokudaia osimensis）的Y染色体就已经完全消失了，这是一种生活在日本奄美大岛上的动物，无论雌雄，奄美刺鼠都只有一条X染色体。研究者已经发现，曾经Y染色体上的大部门基因已经迁移到了常染色体上，除了最关键的性别决定基因Sry——它随着Y染色体一起消失了。
奄美刺鼠已经彻底失去了古老的Y染色体。
2022年，日本北海道大学的生物学家黑岩麻里向导团队在《美国科学院院刊》（PNAS）发表研究，终于发现了奄美刺鼠的办理方案。他们在雄性刺鼠的3号常染色体上，找到了一小段雌性没有的重复DNA序列。这段序列的长度仅有17 000个碱基对（在刺鼠30亿的总基因组中如沧海一粟），并且恰好位于与睾丸发育相关的Sox9基因附近。
在包括人类在内的大多数哺乳动物中，Sry是位于Y染色体上的雄性决定基因，而Sox9就是Sry的直接目标，是真正执行“发育成睾丸”命令的那个基因。虽然奄美刺鼠失去了Y染色体上的总开关，但新出现的这段序列成了一个被重新布线的新开关，能够直接激活Sox9。本质上，奄美刺鼠并没有发明一套全新的性别决定系统，而是用一个微小的突变，“热启动”了那套早已存在的性别决定程序。
这个来自偏远岛屿的啮齿动物，或许正是人类遥远将来的预演。不外，新性别决定基因的演化也伴随着风险， 如果在不同地区同时演化出多套新的性别决定系统，很可能会导致新的物种分化——这正是在奄美刺鼠和它们的近亲身上发生的，或许也将发生在1000万年后的人类（如果还存在）身上。
演化的多样性
几十年前， 关于性染色体的故事似乎只有一个脚本： Y染色体的诞生、重组克制，以及不可避免的衰退。这个模型，正如佩林所批评的：“非常优雅和吸引人，因为它在性别决定、两性对抗和染色体衰退之间创建了看似直接的接洽。”然而，他也一针见血地指出：“这个概念是在研究工具尚不完善的时代发展起来的。如今，随着研究工具日益精密，我们发现支持这个经典模型的经验证据惊人地稀少。”
这套经典理论正被一系列新发现重新审视。 我们现在知道，决定性别的基因可以迁徙，重组克制的法则可以被覆写， 而染色体退化的速率也可以被调控。从家蝇、林蛙到鸸鹋，这些演化实例共同展现了一个远比已往所想更加灵活和多变的图景。
“我有时会思考，性别决定机制的守旧性或许是我们不绝以来的错觉。”周琦认为这些发现正是促进传统观点改变的关键。我们看到的并非一条通往衰退的单行道，而是一幅充满了变通、替代和创新的演化地图。终极的结论似乎只有一个：在性别演化的道路上，每个物种都会有自己的故事。
本文节选自《环球科学》2025年8月《跳出Y染色体陷阱》。
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到newmedia@huanqiukexue.com与我们取得接洽。相关内容禁止用于营销宣传。
来源：https://view.inews.qq.com/k/20250809A06Z2000
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！ |
|
/1 
