Y染色體的發(fā)現(xiàn)及研究歷程簡(jiǎn)介

馬小明

(甘肅省臨夏中學(xué) 731100)

人類(lèi)的Y染色體被公認(rèn)為是男性的象征，但它的長(zhǎng)度大概只有X染色體的1/3，所含基因也比X染色體少得多。截止到2006年12月，Y染色體上約有115個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因列在基因庫(kù)中，其重復(fù)序列與其他染色體相比是最高的[1]。人類(lèi)Y染色體的起源可以追溯到3億多年前：大約3. 1 億年至1. 7 億年前Y染色體才開(kāi)始從X染色體中分化出來(lái)[1]。

1 早期動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)Y染色體的發(fā)現(xiàn)

1890年，赫爾曼·亨金(Hermann Henking)在觀察紅蝽(Pyrrhocoridae)生殖器細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)一條特殊的染色體，其他染色體都兩兩配對(duì)而這條染色體孤零零的獨(dú)處一方，他將這條染色體稱(chēng)為 “受冷落的染色體”——“X染色體(X-chromosome)”[2]。

1890～1892年，克拉倫斯·麥克倫(Clarence Mcclung)依據(jù)其在堪薩斯大學(xué)對(duì)蝗蟲(chóng)的研究作出判斷：X染色體是最可能對(duì)性別遺傳起作用的染色體，他稱(chēng)含X染色體的精子與卵子結(jié)合后形成的受精卵發(fā)育為雄蟲(chóng)，而精子中若沒(méi)有X染色體則與卵子結(jié)合會(huì)發(fā)育為雌蟲(chóng)。他十分堅(jiān)定的將X染色體定義為“雄性決定因素”[2]。

1903～1912年，內(nèi)蒂·斯蒂文斯(Neittie Stevens)發(fā)現(xiàn)擬步甲殼蟲(chóng)(Tenebrio)雌性幼蟲(chóng)細(xì)胞含有20條標(biāo)準(zhǔn)尺寸的染色體，而雄性幼蟲(chóng)的細(xì)胞只含有19條大染色體和一條細(xì)小的染色體。此外，雌蟲(chóng)產(chǎn)的卵細(xì)胞總含有10條大染色體而雄蟲(chóng)的精子則含10條大染色體或含有9條大染色體和一條小染色體。他將這條小染色體稱(chēng)為“Y染色體(Y-chromosome)”[2]，并意識(shí)到是這條小染色體在控制性別。

2 人類(lèi)Y染色體的發(fā)現(xiàn)和研究

1921年，Painter利用光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)存在男性特有的染色體—— Y染色體[3]；并且發(fā)現(xiàn)精子不是攜帶X染色體，就是攜帶Y染色體[4]。

1959 年，Jacobs對(duì)Klinefelter (XXY) 性染色體構(gòu)成的男性進(jìn)行了研究，F(xiàn)ord對(duì)Turner (XO) 性染色體構(gòu)成的女性進(jìn)行研究，他們的研究結(jié)果說(shuō)明Y染色體可能攜帶性別決定的關(guān)鍵基因[5]。

艾爾弗雷·約斯特(Alfred Jost)用野兔作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果在胚胎時(shí)期摘除雄兔的睪丸，生出的幼兔就會(huì)具有雌性的機(jī)體結(jié)構(gòu)，但是這樣的雌兔沒(méi)有卵巢；而將睪丸植入雌性胚胎中，就會(huì)促使胚胎向雄性機(jī)體發(fā)育。從而證實(shí)：在器官水平上“睪丸” 決定著胚胎的性別[2]。

20世紀(jì)80 年代，美國(guó)科學(xué)家佩基(David Page) 領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始用現(xiàn)代分子遺傳學(xué)技術(shù)和方法尋找決定男性的基因[2]。1986 年，他們發(fā)現(xiàn)Y染色體上有一特定小段含有決定男性的基因。第二年，他們認(rèn)為這段里面一個(gè)特定的基因zfy是決定男性的基因。1990年，澳大利亞女科學(xué)家格雷烏斯(Marshall Graves) 和英國(guó)的洛威爾-巴奇(Lovell-Badge) 發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)基因sry，這個(gè)基因最終被證明是決定男性的基因[1]。基因sry只有在生殖腺里才制造相應(yīng)的蛋白質(zhì)，而這種蛋白質(zhì)僅僅存在幾天隨后便消失了。若將性染色體組成為“XY”的老鼠胚胎中的sry基因損壞，這些胚胎就會(huì)以“女兒身”出生；如果將sry基因添加到XX胚胎的染色體上時(shí)，出生的則酷似雄鼠[2]。

1990年，Sinclair等從人類(lèi)Y染色體上分離出性別決定基因sry[5]。當(dāng)然，Y染色體sry基因?qū)τ谀行缘陌l(fā)育只是必要條件，并非充分條件，還需要一些睪丸促進(jìn)因子、精子生成等相關(guān)基因。只有它們相互作用，才能刺激雄性生殖器官生成。這一過(guò)程復(fù)雜且嚴(yán)密，任何一處出現(xiàn)異常都會(huì)導(dǎo)致發(fā)育異常，最終出現(xiàn)男性不育。

2003 年6 月19 日，佩基實(shí)驗(yàn)室和華盛頓大學(xué)基因測(cè)序中心聯(lián)合公布了Y染色體DNA 序列及其分析。佩基實(shí)驗(yàn)室的研究發(fā)現(xiàn)：Y染色體有許多重復(fù)的回文結(jié)構(gòu)序列，且這些重復(fù)的回文結(jié)構(gòu)有重組能力，Y染色體自己的一段和另一段之間進(jìn)行重組，靠這樣的自我重組來(lái)獲得活力。

3 Y染色體的形成機(jī)制的探究

1967年，Ohno推測(cè)人類(lèi)的X染色體與Y染色體是由一對(duì)普通的染色體分歧進(jìn)化而來(lái)的[6]。而要形成現(xiàn)在的Y染色體，需要經(jīng)歷兩個(gè)事件：①原始Y染色體的退化；②睪丸決定基因的獲得。推測(cè)這一過(guò)程：Y染色體在某一時(shí)刻獲得了能產(chǎn)生男性特征的sry基因；同時(shí)，Y染色體通過(guò)抑制其重組，一步步地關(guān)閉與X染色體之間的交換，從而保留住sry基因。而進(jìn)化過(guò)程中X與Y交換的關(guān)閉則引起Y染色體基因功能的單調(diào)下降，例如，原本在X與Y中都存在的13種基因在Y染色體中已經(jīng)退化為假基因，大概還有幾百個(gè)其他的X同源基因在進(jìn)化過(guò)程中從原始的Y染色體中被徹底刪除。可見(jiàn)，Y染色體除保留必要的X同源基因以保證某些持家功能外，己經(jīng)喪失大部分基因或基因功能，但卻保持住獨(dú)特的性染色體功能。X染色體則維持了功能的完整性，女性中有利的染色體交換仍得以持續(xù)[1]。

Y染色體要維持sry的功能，必須提高sry的穩(wěn)定性。在Y染色體上性別決定基因sry周?chē)饾u積累一些雌性性別抵抗基因(亦稱(chēng)作雄性性別有利基因)，從而形成一個(gè)Y染色體雄性特異區(qū)(MSY)[7]。MSY不斷地?cái)U(kuò)大，影響了同源重組，進(jìn)而造成這一區(qū)域其他的基因發(fā)生降解，表現(xiàn)為一些假基因的出現(xiàn)和Y染色體體積的減小。同時(shí)，若該被降解的基因在雌性和雄性均有功能的話，這些被降解的基因在X染色體上的同源基因可能會(huì)發(fā)生劑量補(bǔ)償效應(yīng)。雄性性別有利基因通過(guò)功能特化(出現(xiàn)多個(gè)基因家族成員)、常染色體轉(zhuǎn)座子滯留和復(fù)制、擴(kuò)增等手段在Y染色體上不斷聚集；相似地，雌性性別有利基因在X染色體上也不斷聚集。由于非同源重組區(qū)也就是MSY的不斷擴(kuò)大，在進(jìn)化過(guò)程中，Y染色體不斷吸收一些常染色體片段來(lái)抑制這一區(qū)域的分化。所以，造成Y染色體上具有不同進(jìn)化年齡和不同分化程度的片段。