Science：Y染色体没了，还是雄性？

雄兔脚扑朔，

雌兔眼迷离；

双兔傍地走，

安能辨我是雄雌？

说到“女扮男装”，大家一般比较宽容，从古代替父从军的花木兰，到现在不少喜欢又飒又帅中性风的女生，多的是赞美和欣赏。而说到“男扮女装”，不出意外就会画风陡变，影视剧或节目中的大佬和演员们或许还能博君一笑，现实生活中的那些一般都一言难尽……

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当然，现代社会中的性别界定早已不依赖穿着打扮这些“外在”因素，那么我们可以通过“内在”来判定性别吧？在医学上，核型分析（karyotype analysis）是判别生理性别的“金标准”，如两性畸形这一群体，由于外在性特征上的不明显或发育不全，就是通过核型分析来辨别性别的。既然是“金标准”，说明在人类乃至哺乳动物中XY性染色体决定性别这种系统是高度稳定的（XX雌性/XY雄性），但是科学家发现有些哺乳动物的“内在”居然也能“男扮女装”——雄性缓行田鼠（Microtus oregoni）具有两条X染色体，没有Y染色体。

缓行田鼠（M. oregoni）。图片来源于网络

在超过1.5亿年的哺乳动物进化史中，XY/XX性染色体性别决定系统一直高度保守，在如今现存的哺乳动物中具有极高稳定性。在漫长的进化过程中，远古Y染色体基因只有不到5%遗留下来。现存任何世系的哺乳动物都有9到16个来自远古Y染色体的基因。而这些古老基因，并不都与雄性特征有关，其表达涉及广泛、基础的生物学功能。反观X染色体，有90%的远古X染色体基因留存到如今的X染色体上。在进化过程中，由于XY/XX性染色体性别决定系统存在雌性比雄性多一条X染色体的问题，所以，雌性会随机沉默一条X染色体上的连锁基因，以保持与雄性Y染色体上的相关基因缺失一致，即“剂量补偿效应”。但例外总是存在，半个多世纪前，科学家就发现了缓行田鼠不同寻常的性染色体系统，这给性染色体进化理论提出了一个大难题。50多年前，Susumo Ohno等人对缓行田鼠的性染色体系统进行了解释，Ohno认为缓行田鼠雌性生殖细胞和体细胞中分别含成对X染色体（2n= 18，XX）和单条染色体（2n = 17，X0），而雄性生殖细胞中含单条Y染色体（2n = 17，Y0），体细胞中有成对的性染色体（2n= 18，XY），这导致雄性只能产生含有Y染色体或者不含Y染色体的配子。按照Ohno推测，缓行田鼠的雄性生殖细胞（2n = 17，Y0）中没有X染色体，减数分裂中的X不分离导致XXY和Y0两种生殖细胞出现，前者快速凋亡消失（下图）。缓行田鼠X染色体与众不同的变化在进化上形成时间很短，动态核型分析显示缓行田鼠与其它XX/XY型田鼠种间差异只有200万年。多年过去，缓行田鼠独特的染色体进化研究价值一直被学术界所忽略，这个系统的遗传机制还没有被透彻研究过。

缓行田鼠非典型的性染色体结构和周期。图片来源：Science

近日，美国加州大学河滨分校Polly Campbell等人在Science 上撰文重新定义了这一系统，否定了Ohno等通过性染色体长短和父系遗传定义的Y染色体，将只通过母系遗传的X染色体称为X^M，而Ohno定义的“Y染色体”称为X^P。这样一来，雄性缓行田鼠体内就没有Y染色体了。那为何要将“Y染色体”改称X^P呢？

他们通过短读序列组装（short-read assemblies）比对同系近缘田鼠体细胞染色体系统，发现雄性缓行田鼠X连锁阅读深度与常染色体阅读深度无法区分，与雌性北美草原田鼠（M. ochrogaster）（XX）相似，雌性缓行田鼠的X连锁相对于常染色体阅读深度少了50%，与雄性黑田鼠（M.agrestis）（XY）相似（下图）。实验结果佐证了雄性缓行田鼠体细胞中存在两种不同的X染色体，没有Y染色体，雌性鼠只有一条X染色体。

雄性缓行田鼠X染色体DNA测序阅读覆盖率翻倍暗示存在两条X染色体。图片来源：Science

缓行田鼠的Y染色体不可能突然平白无故地消失，必定伴随着生命进化而逐渐演变。如今啮齿动物世系中大多数都恒定的存在来源于远古Y染色体的10个基因，作者使用聚合酶链式反应（PCR）验证9个远古Y染色体基因的存在（余下的Tspy1无法从相关物种中复原），结果表明这9个远古Y基因均在雌、雄缓行田鼠中得到扩增，这暗示Y染色体“跑”到了两条不同的X染色体上（下图）。

远古Y染色体连锁基因在缓行田鼠和其近缘物种性染色体中的分布。图片来源：Science

那么，远古Y染色体基因是怎么转移到X染色体上的呢？作者随后在缓行田鼠的X^M和X^P中均发现了X-Y融合的一些证据，尽管它们的结构、基因顺序、拷贝数等大不相同。在X^P中，9个远古X连锁基因重复序列之后出现一个在北美草原田鼠上发现的Y来源远古基因。相反，X^M中的远古Y基因广泛分散在整个X^M中，并且还发现了X^M上特有的异染色质区域，推测这一区域就是Y来源基因和X来源基因的边界。同时他们还测定了这两条X染色体上的转座因子密度，其转座因子数量显著高于常染色体（下图）。总之，这些实验结果证明了某个时期，雄性缓行田鼠生殖细胞在减数分裂中发生了性染色体的断裂和融合。

缓行田鼠性染色体X^P（A）和 X^M（B）的复杂结构。图片来源：Science

有趣的是，他们的研究还发现，哺乳动物（包括人类）XX/XY性染色体系统的“剂量补偿”效应，在缓行田鼠中完全是颠倒的，并且不是随机沉默一条X染色体。作者通过单核苷酸多态性分析（SNPs）量化了雄性缓行田鼠精囊、心脏、大脑和肝脏等体细胞中等位基因的表达，结果表明，除精囊外，其它器官体细胞只有X^M上的等位基因表达，X^P上的等位基因沉默，这样，就与雌性田鼠仅有的一条X^M构成“剂量补偿”。精囊X^P上相关基因的表达可能与雄性生殖器发育有关。这也从另一个侧面印证了缓行田鼠是XX/XO型性染色体系统。

至此，Polly Campbell等人的一系列实验研究展示了哺乳动物中的另类——缓行田鼠罕见的性染色体系统，雄鼠没有Y染色体，却有两条X染色体（X^M和X^P），雌鼠只有一条母系遗传的X^M染色体。这表明了缓行田鼠雄性和雌性在分子层面上的性别决定系统出现了变化，甚至其“剂量补偿”模式也出现了逆转，但性别却没有出现逆转。

PS：现在雄鼠都能怀孕生宝宝了（bioRxiv, 2021, DOI: 10.1101/2021.06.09.447686），靠X和Y染色体不能辨别雌雄看来也没啥.....

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Sex chromosome transformation and the origin of a male-specific X chromosome in the creeping vole

Matthew B. Couger, Scott W. Roy, Noelle Anderson, Landen Gozashti, Stacy Pirro, Lindsay S. Millward, Michelle Kim, Duncan Kilburn, Kelvin J. Liu, Todd M. Wilson, Clinton W. Epps, Laurie Dizney, Luis A. Ruedas, Polly Campbell

Science, 2021, 372, 592–600, DOI: 10.1126/science.abg7019