Nature封面:两篇文章解读至关重要的Y染色体

http://www.microimage.com.cn(2014-05-15 10:51:39)

在本周的Nature杂志上,两个研究团队(Bellott等人和Cortez等人)向人们展示了Y染色体基因演化的大量证据。研究显示,尽管在Y染色体进化早期出现了快速退化和基因流失,但自那以后哺乳动物Y染色体上的保守基因就非常的稳定(包括鸟类的W染色体)。  
科学家们对多种哺乳动物的Y染色体进行了比较。他们发现,Y染色体进化初期的确出现了大量的基因流失,不过在现存物种中Y染色体上的基因相当稳定。
哺乳动物的XY染色体被认为来自于同一个祖先,只是Y染色体出现了快速的基因流失。这一Y染色体退化理论得到了一些果蝇研究的支持。在本周的Nature杂志上,两个研究团队(Bellott等人和Cortez等人)向人们展示了Y染色体基因演化的大量证据。研究显示,尽管在Y染色体进化早期出现了快速退化和基因流失,但自那以后哺乳动物Y染色体上的保守基因就非常的稳定(包括鸟类的W染色体)。这些数据体现了进化动力对性染色体的作用,为Y连锁基因在物种间的功能一致性提供了合理的解释。(延伸阅读:Nature发表山中伸弥新成果,iPS校正环状染色体)
Y染色体一直是遗传学和分子生物学研究的一大难题。尽管早期的全基因组测序项目包括了雄性基因组,但Y染色体上的数据常常被忽略,因为它富含重复序列和回文序列。Bellott等人将目的DNA区域克隆到细菌的人工染色体中,获得和装配了四种胎盘哺乳动物(大鼠、小鼠、公牛和狨猴)和负鼠 (有袋类)的Y染色体DNA序列。随后,他们将这些数据与另外三种已测序的胎盘哺乳动物(恒河猴、黑猩猩和人类)进行比较。研究显示,大约三亿年前性染色体祖先上的184个基因,只有3%在上述哺乳动物的Y染色体上存留下来。
这意味着,哺乳动物Y染色体的进化早期的确出现了大量的退化和基因流失。不过,一旦基因在这场淘汰赛中胜出,就能够在Y染色体上稳定的存在下去。研究人员还发现,上述动物XY染色体共有的36个基因,在过去的两千五百万年中稳定存在。此外,袋鼠(tammar wallaby)、袋獾和负鼠共有的十个基因,已经在Y染色体上稳定存在了七千八百万年。这些发现有助于我们进一步理解,自然选择是如何起作用,使Y染色体上的特定基因得以保留。
Cortez等人关注的是,只在雄性中表达在雌性中不表达的RNA分子,并证实编码这些RNA的基因的确只存在于雄性基因组。他们由此在10种哺乳动物中鉴定了134个Y染色体基因,并追溯了它们的进化。这项研究包括了鸡(雄性ZZ染色体,雌性ZW染色体)和鸭嘴兽(XY染色体各五个的单孔类动物),为人们展现了更为广阔的性染色体进化图。引人注目的是,他们发现胎盘哺乳动物、鸟类和单孔类动物的起源相互独立,也就是说可以比对它们Y(或W)染色体的基因流失模式。
这些数据不仅有助于人们进一步理解性染色体的进化,还提供了XY停止重组并发生分离的时间点。有趣的是研究人员发现,尽管它们起源不同,但最古老的胎盘哺乳动物、单孔类动物和鸟类的出现时间相当接近。
研究显示,对于性染色体来说剂量敏感性是很关键的。对剂量不敏感的基因,只需一个拷贝就能达到最佳功能,它们大多是X或Y染色体所特有的。如果剂量敏感性基因需要两个拷贝才能保证健康,那它们很可能同时存在于X和Y染色体上。举例来说,涉及基因转录调控的基因(例如转录因子的编码基因),一个拷贝通常无法功能完全。这可能就是Y染色体保留转录调控基因的原因。
Y染色体上富含转录调控基因,可见它远不只是雄性的决定开关。实际上,Y染色体能够影响整个基因组的基因调控,可能对于所有组织的生物学功能都很重要。可以说,我们基本上才刚刚开始理解雄性和雌性之间的分子生物学差异。
人类Y染色体上的个体差异水平比较低。不过,Y连锁的序列改变能影响整个基因组的基因表达,进而放大男性之间的差异。研究显示,虽然成熟Y染色体上的基因相对稳定,但其DNA序列比X染色体演化得更快。由此看来,Y染色体也有潜力介导快速适应性的显著进化改变。
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