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撰文 | 黄雨佳
审校 | clefable
2013年9月,英国博物学家戴维·阿滕伯勒(David Attenborough)曾在采访中表示,“人类是唯一一种出于自己的自由意志而停止自然选择的物种”。此话一出,科学家纷纷表示反对。科学研究表明,人类依然处于不断演化的过程中。例如,最近一篇发表于《自然》(Nature)的研究表明,在包括人类在内的多种灵长类动物中,Y染色体正在快速演化,并且其演化速度显著快于X染色体。
最后一块拼图
人类Y染色体正在快速演化并不是什么新鲜的故事。早在2010年,美国麻省理工学院的戴维·C.佩奇(David C. Page)教授带领的团队就曾在《自然》发表论文,揭示了这一现象。在此之前,人们一直以为小小的Y染色体是一条常染色体在演化过程中因基因丢失而形成的,并且其丢失基因的速度起初非常快,而后陷入了相对停滞的状态。
然而,佩奇和同事测序了黑猩猩Y染色体上的雄性特异性区域(MSY)后却发现,虽然人类和黑猩猩的基因组序列相似度高达98.8%,但MSY在序列结构和基因含量方面却显著不同,这种差异远远超过了其他染色体。这说明,在600万年前,黑猩猩和人类谱系分道扬镳后,Y染色体演化的速度比其他染色体快得多。
但是,要获得更多Y染色体演化相关的信息,还需要不同物种Y染色体的完整序列。而Y染色体中的大部分都由高度重复的DNA序列组成,因此测序完整的Y染色体序列十分困难。即便是人类的Y染色体,其中也有几乎一半的序列信息在很长时间内处于完全空白的状态。直到2023年8月,美国国立卫生研究院(NIH)下属人类基因组研究所(NHGRI)的亚当·菲利皮(Adam Phillippy)才带领团队,首次公布了人类Y染色体完整的、带注释的参考序列,完成了人类基因组的最后一块拼图。这项研究发表于《自然》杂志。
菲利皮团队能完成如此突破性的工作,得益于长读长DNA测序技术的发展,以及研究人员开发的处理和组装重复序列的全新算法。在这些技术的推动下,菲利皮等人共同建立了“端粒到端粒”(T2T)联盟,旨在测序完整的人类基因组。
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在Y染色体诸多类型的重复序列中,一种重要的重复DNA名为“回文序列”。它与语言中的回文类似,包含倒置的DNA重复,无论正读还是反读,DNA序列的顺序都是相同的。因此,使用过去的测序手段,科学家无法确定这些“相同”的DNA序列在基因组上究竟应该是什么方向。但现在,有了新的手段,科学家就能精准定位Y染色体中的回文序列发生倒置的具体位置。
而在最近发表的这篇《自然》论文中,菲利皮团队又进一步测序了6种灵长类动物X和Y染色体的完整序列,包括5种类人猿——黑猩猩、倭黑猩猩、西部低地大猩猩、婆罗洲猩猩和苏门答腊猩猩,以及一种与人类亲缘关系较远的灵长类动物——合趾猿(一种长臂猿)。他们还比较了这些猿类与人类的性染色体序列,揭示了灵长类性染色体的演化历程。
菲利皮团队的研究结果显示,类人猿Y染色体的基因数量远远少于X染色体,这与佩奇团队2003年在人类基因组中发现的结果一致:人类X染色体携带约1000个基因,而Y染色体仅携带78个编码蛋白质的基因。此外,菲利皮团队还发现,猿类X染色体中90%以上的序列与人类X染色体一致,表明X染色体在数百万年的演化过程中相对保持不变;而猿类Y染色体中却只有14%至27%的序列与人类Y染色体序列一致,再次证实Y染色体正在快速演化。考虑到这些类人猿与人类谱系分开的时间并不长,这些物种间Y染色体的差异程度之大,令科学家感到十分震惊。
缘何快速演化
相比于X染色体,为什么Y染色体的演化速度会格外地快呢?对于这一点,科学家提出了几种可能性。首先,每个细胞通常最多只会有一条Y染色体,因此如果Y染色体上的基因受损,那么细胞中的另一条性染色体(即X染色体)上并不会携带相应的基因拷贝,也就无法作为修复Y染色体受损基因的模板。于是,Y染色体上的DNA突变便会不断累积。
其次,Y染色体的快速演化也可能源自一种名为雄性突变偏倚(male mutation bias)的现象。研究表明,男性通过胚系突变(即来源于生殖细胞的突变)传给后代的突变数量是女性的3倍。一种广为流传的解释是,这是由于男性和女性生殖细胞的复制存在差异:与卵子生成相比,精子生成涉及更多DNA复制,而每次复制都可能引入DNA突变。
然而,一些全基因组的研究结果挑战了这种解释。例如,一些研究表明,在青春期后不久,男性生殖细胞基因突变的情况就已经超过了女性;通过对比不同物种的精子发生周期和它们父系突变的积累率,研究人员发现即便是精子发生周期相差两倍的物种,其父系突变的积累率也基本相同,约为每年1.5个突变。此外,不同组织中的体细胞突变率也与这些体细胞的复制频率无关,这说明复制次数可能不是导致出现雄性突变偏倚现象的主要因素。
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因此,在一篇2023年发表于《当代生物学》(Current Biology)的论文中,研究人员提出了一种“有缺陷的雄性”(faulty male)假说。他们认为,除青春期后的生殖细胞复制差异之外,雄性哺乳动物DNA突变率更高可能有其生理和分子层面的因素。例如,与女性相比,男性在修复和保护DNA免受损伤方面的能力可能较弱:精子和卵母细胞中的DNA包装方式不同(精子中的DNA会结合鱼精蛋白,而卵母细胞中的DNA则缠绕在组蛋白上),也可能存在不同的突变机制;而且,女性X染色体上的一些基因可能有助于DNA修复。此外,性激素的水平也可能影响突变的发生。
除缺乏修复模板和雄性突变偏倚之外,最近这篇灵长类动物性染色体论文的作者还认为,具体到这篇研究,种群规模也可能是影响Y染色体演化速度的因素之一。该研究中涉及的非人灵长类都是濒危的类人猿,因此它们的野外种群数量十分有限。再加上这些有限种群中只有一半的个体拥有Y染色体,又会使得实际携带Y染色体的有效种群规模进一步缩小。
不过,需要说明的是,Y染色体比X染色体的演化速度更快,并不意味着男性在演化方面更加“高级”。
参考链接:
https://www.science.org/content/article/tv-host-s-comments-human-evolution-draw-fire
https://www.nature.com/articles/nature08700
https://news.mit.edu/2010/y-chromosome-0114
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06457-y
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07473-2
https://www.nih.gov/news-events/news-releases/scientists-generate-first-complete-chromosome-sequences-non-human-primates
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982223012745