人類性染色體的起源與發展趨勢
——從生物學教材所引發的思考與討論

1 由高中生物學教材得到的啟發

作為一名中學生，筆者通過對高中生物學必修2（遺傳與進化）教材的拓展學習，不僅把握了對應于高等教材的課程知識自然生長點，而且體會了課程標準中所要求的思維能力［1］。 在探索真知中收獲成果的同時，也不禁對那些患有遺傳病的患者感到遺憾和同情，同時立志為他們解除病痛做些可能的專業知識探索。 在人教版高中生物學必修2 教材中，最令筆者感到好奇的是那一對“與眾不同”的性染色體。 教師上課時對性染色體相關知識的精彩點撥與拓展，更激發了筆者的濃厚興趣。 于是，筆者查閱文獻，歸納、整理相關資料，也參考前人的評述［2］，對人類性染色體未來的演變趨勢進行了思考和分析。

2 人類性染色體的重要意義

地球上的生物有多種性別決定方式，例如某些爬行動物的性別由外界環境，特別是溫度所決定； 許多植物和低等動物的性別由特定同源染色體上的一對等位基因決定；蜜蜂、螞蟻等營社群生活的昆蟲，其性別由染色體倍性（即染色體組的數目）決定。 特別是，包括鳥類、哺乳動物的許多高等動、植物的性別由一對異形染色體決定，這便是本文關注的性染色體。其中，包括人類在內的哺乳動物的性染色體類型是XY 型，即雌性是同型染色體的表現型（同配性別），雄性是異型染色體的表現型（異配性別）。

這一對異形性染色體對人類的重要性不言而喻。 基于人類生殖母細胞減數分裂與受精作用時性染色體分離、組合行為，人群中的男、女比例總能大約保持在1∶1，有利于種群的繁殖、傳代，這是性染色體對種族延續的重要意義［3］。 同源異形性染色體決定性別的方式與異配生殖相適應，也體現包括人類在內的哺乳動物在進化上的先進性，是人類較高進化程度的一種體現。 此外，Y 染色體上特有的遺傳物質僅在雄性親、子代間傳遞，有利于決定人類生殖的重要遺傳信息的穩定遺傳，這是性染色體對人類穩定遺傳的重要意義［4］。

除上述重要意義之外，性染色體還有許多重要作用。首先，性染色體上有許多對人類生存有重要意義的基因。 根據相關資料，在X 染色體上已發現的致病基因，常導致嚴重的病癥。 例如：基因缺陷引起的重癥肌無力（asthenic bulbar paralysis）表現為肌肉萎縮癥（muscular dystrophy），血友病（bleeder disease）導致血小板減少癥（thrombocytopenia），抗維生素D 佝僂病（vitamin D-resistant rickets）表現出腎小管遺傳缺陷等，都是X 染色體連鎖遺傳病。 甲型血友病造成了許多歐洲王室家族成員在幼年時期夭折，因此此病也被稱為“皇室病”，由此可以看出，人類性染色體上的基因關系著人類的生命健康。 在基因診斷與基因治療等相關醫療技術正在興起的今天，人類性染色體的深入研究對醫療衛生事業的發展有重大意義。

同樣，隨著人類基因組測序計劃的展開和深入，Y 染色體上也發現有許多非常重要的基因。例如，Y 染色體短臂上的性別決定基因——睪丸決定因子（TDF）基因（即SRY 基因，位于Yp11.3 的無內含子基因），就是雄性性別發育和產生相關性征的基礎。 SRY 作為TDF 的候選基因是1990年由Goodfellow 根據實驗技術定位在Y 染色體短臂上的。 如果SRY 基因發生突變，就不能產生正常的睪丸決定因子，就會導致原始性腺中胚層轉換分化方式而發育成卵巢，使胎兒雌性化，產生非正常的雌性生殖器官，體現為表型女性（與正常女性性染色體不同，故此區分）。 將TDF 的相關研究與現代基因編輯技術相結合對某些性別缺陷進行可能的治療，具有重要的臨床意義。 除此之外，Tiepolo 等（1976年）通過細胞遺傳學研究發現無精子癥患者的Y 染色體長臂缺失,故此推測這部分染色體區段存在“精子生成基因”，由于源自對無精子癥患者的研究，將該基因的產物命名為“無精子因子”［5］。

近30 多年來，與男性精子發生相關的基因研究日益深入和廣泛。 無精子因子基因AZF 位于Yq11，并在睪丸組織中特異性表達。 1992年，Vogt團隊發現Y 染色體上此區域有許多位點與精子發生相關，其中最主要的是AZF 上互不重疊的3個區段（Y 染色體近段、中段和遠段），分別稱為AZFa、AZFb 和AZFc。1999年，Kent2First 等報道認為，在AZFb 和AZFc 之間還應該有一個基因，命名為AZFd。 不難看出，Y 染色體上的許多基因或DNA 區段對男性不孕不育癥等的治療有著非凡的意義，可能是候選的基因操作靶點。

此外，性染色體的演變更是人類區別于其他生物的重要方面。 研究指出，人類Y 染色體的進化速度比其他基因快2%左右。 科學家通過將人類的基因與最像人類的“近親”猩猩相比對，發現人與猩猩Y 染色體的差異度為30%，而其他基因的差異度卻不足28%。 也就是說，人類Y 染色體基因與人類其他染色體基因相比，存在2 個百分點的進化速度差異。 性染色體的演變對于人類進化方面的重要意義可見一斑。

3 人類性染色體的起源

包括人類在內的諸多生物的性染色體究竟是如何起源的？根據現已掌握的事實和資料，可以進行合理的演繹、推理。

許多生物的性別主要是由同源染色體上的一對等位基因決定的，這是一個客觀事實。主流學說認為，與性染色體的同源異形現象相一致，是因為這對決定性別的等位基因中雄性的決定因子存在于該對同源染色體中的一條（由于生殖必須雌雄交配，新個體中的該對同源染色體一條來自父方，一條來自母方），隨著時間推移過程中環境對物種的選擇，對雄性個體有利而雌性個體有害（或沒有明顯作用） 的基因在Y 染色體上不斷得到繼承和發展，Y 染色體仍不斷通過染色體易位的方式獲得這些基因。 X 染色體和Y 染色體之間的基因重組的結果，會導致雄性動物丟失Y 染色體在重組之前所含有的必需基因，雌性動物多出原本只會出現在Y 染色體上的非必需基因甚至有害基因。 于是，在進化過程中，對雄性有利的基因就逐漸在性別決定基因附近聚集。后來，這個區域的基因演化出了重組抑制機制，以保護雄性特有的區域。 Y 染色不斷地沿著這種路線演化，抑制Y染色體上的基因與X 染色體上的基因發生重組。這個過程最終使得Y 染色體上約95%的基因不能發生重組（即使是在X 和Y 同源區段，即擬常染色體區段）［4］。 根據現有細胞遺傳學觀點，同源染色體的基因重組本是用于降低有害突變保留的幾率、維持遺傳完整性的，但Y 染色體因不能與X 染色體發生重組，被認為容易發生損毀而導致退化。人類的Y 染色體在其演變的過程中丟失了原本擁有的1 438 個基因中的1 393 個（約94%），平均每100 萬年丟失4.6 個基因，這也許就是人類Y 染色體比X 染色體小很多的原因。 但按照此數據推算，Y 染色體的退化速度是相當快的。有人認為隨著時間推移，終有一天Y 染色體將消失殆盡［5］。 關于這一點，將在隨后有關“人類性染色體的發展趨勢”中詳細討論。

從生物系統學角度看待上述演變，也能得出較為模糊的性染色體起源與演變趨勢。 動物的雄性祖先最早可以追溯到5 億年前（此僅舉認同較廣的一種說法），而Y 染色體的出現不到3.1 億年。 比爬行類高級一點的是哺乳動物中的單孔類動物，例如著名的鴨嘴獸、針鼴等。 單孔類動物是具有Y 染色體的最古老動物，它們的性別不再是簡單地由環境決定。 而哺乳動物與爬行類動物的分支進化發生在3 億年前，所以可以推斷出Y 染色體出現在那個年代。 目前創造雄性所必須的基因出現可能不到1.7 億年（另說3 億年前）。 一條原始性染色體上一個稱為SOX3（Sry-related HMG box 3）的基因發生突變，變成了上文所提及的名為SRY（Sex determining Region of Y chromosome）的基因。然而根據資料表明，最新的研究表明XY 的決定系統大約在1.66 億年前出現［6］。

在此之外，還有部分科學家利用生物學上的分子進化鐘做出估計，發現X 染色體和Y 染色體上的SOX 基因也已經分離了3 億年。 后來再發生的染色體倒轉（一種不算常見的染色體行為）使本是同根生的SOX3 基因（在X 染色體的底部）與SRY基因（在Y 染色體的頂部）分離。 染色體倒轉是染色體內部區段發生重組的一種較常見方式，這種行為常導致染色體上基因的位置發生重新排列［7］，而在Y 染色體上發生的倒轉基因又不像X 染色體一樣還可以在雌性的細胞中得到同源染色體的修復幫助，所以這些倒轉了的區段還常被Y 染色體自身切除掉，結果隨著時間的流逝，在沒有備份可以彌補的情況下，Y 染色體失掉了越來越多的基因，變得越來越萎縮，到今天只有X 染色體的1/3。這也就是人類性染色體于今天人們所熟知的結構。

4 人類性染色體的發展趨勢

從上文中所敘述的人類性染色體由來中，不難得知人類男性的Y 染色體正以著非常快的進化學的速度不斷變小。按照這樣下去，終有一天人類的Y 染色體將會消失殆盡嗎？ 人類男性和有性生殖會消失和退化嗎？根據現有資料，答案是否定的。 即便是Y 染色體自身消失，也絕不會意味著，人類男性和有性生殖的消失與退化。

Y 染色體的死亡并不意味著男性的終結。 現代動物學對于鼠類的研究：幾種同屬的鼠科及倉鼠科的嚙齒目動物已經通過下列途徑達到Y 染色體演化終端：土黃鼴形田鼠（Ellobius lutescens）、坦氏鼴形 田 鼠（Ellobius tancrei）及日 本 刺 鼠（Tokudaia osimensis）和沖繩刺鼠（Tokudaia muenninki），已完全丟失它們的Y 染色體（包括SRY 基因）。 裔鼠屬（Tokudaia）下的一些鼠類將其余的一些原來在Y 染色體上的基因轉移到了X 染色體上。土黃鼴形田鼠和裔鼠屬的鼠類中不論雄性或雌性的基因型皆為XO，而所有坦氏鼴形田鼠的基因型皆為XX。這些嚙齒目動物的性別決定系統仍未被人們完全了解。 林旅鼠（Myopus schisticolor）、鄂畢環頸旅鼠（Dicrostonyx torquatus）中的眾多物種通過X 染色體和Y 染色體復雜改變，演化出除了基因型為XX 的雌性以外的另一種擁有一般雄性才擁有的XY 基因型的雌性。在雌性潛田鼠（Microtus oregoni）中，每個個體的單個體細胞只有一條X 染色體，只產生一種X 配子；而雄性的潛田鼠基因型仍為XY，但可以通過不分離現象（nondisjunction）產生Y 配子和不含任何性染色體的配子。 鼠類在其他的染色體上種新基因接替了SRY 基因的工作。 在嚙齒目動物之外，黑麂（Muntiacus crinifrons）通過融合原有的性染色體和常染色體演化出了新的X 染色體和Y染色體。 靈長目動物（包括人類）的Y 染色體已嚴重退化這一現象預示著，這類動物會相對較快地發展出新的性別決定系統［8］。 有研究者估計，人類將在約1400 萬年后獲得新的性別決定系統［8］。 此時間表未必準確，但基于人類高速進化的特點，并非隨意臆測。

進化之路漫長而具有不確定性。 最新研究表明，Y 染色體已經在演化過程中獨立地走過了很長的征程，已經產生了許多保護自己的特征。這也許就是過去的3 億年間，Y 染色體沒有丟失生殖繁衍重要基因的重要原因［9］。 相對而言，X 染色體是一條比較保守的染色體，其發展相對緩慢，在很大程度上與常染色體非常類似。