Y 染色體是男人真正的根兒，因?yàn)樗鼣y帶決定男性特征和用于生產(chǎn)精子的基因。

Y 染個(gè)頭小，模樣也非常奇怪，所攜帶基因量很少，而且充滿了反向、重復(fù)的 DNA 片段，這使得測(cè)序工作十分困難——對(duì) Y 染色體進(jìn)行全面測(cè)序一度被認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。

不過(guò)近期，最新的“長(zhǎng)讀”測(cè)序技術(shù)終于揭示了貫穿一整條Y染的完整遺傳信息，對(duì)數(shù)十條來(lái)自全球男性的 Y 染色體實(shí)現(xiàn)了全面、可靠地測(cè)序。

這一艱巨、突破性的工作于今年 8 月發(fā)表在《自然》雜志。同行表示，它將指引我們探索性別基因、精子基因的作用機(jī)制，理解Y染色體的進(jìn)化方式，以及分析它會(huì)否如預(yù)測(cè)那樣在幾百萬(wàn)年內(nèi)消失。

SRY 引導(dǎo)男人長(zhǎng)大

大約六十年前，我們就已知道有種特殊的染色體決定人類和其他哺乳動(dòng)物的出生性別。女性有一對(duì) X 染色體，而男性有一條 X 染色體和一條體型小得多的 Y 染色體。

Y 染色體決定男性性別，因?yàn)樗鼣y帶一種名為 SRY 的基因，該基因指導(dǎo)胚胎內(nèi)細(xì)胞脊發(fā)育成睪丸。胚胎睪丸會(huì)產(chǎn)生雄性激素，進(jìn)而引導(dǎo)男嬰男性特征的發(fā)育。

XX 型胚胎沒(méi)有 Y 染色體和 SRY 基因，因此相同的細(xì)胞脊會(huì)發(fā)育成卵巢。然后，雌性激素誘導(dǎo)女?huà)肱蕴卣鞯陌l(fā)育。

Y 染色體是 DNA 垃圾場(chǎng)？

如前文所述，相比 X 染色體和另外 22 種常染色體， Y 染色體相當(dāng)獨(dú)特，體型很小，攜帶基因也很少——區(qū)區(qū) 27 個(gè)，要知道 X 染上有大約 1000 個(gè)基因。

Y 染色體基因包括 SRY、少量指導(dǎo)精子生產(chǎn)的基因、一些似乎對(duì)生命至關(guān)重要的基因——這些基因里有不少是在 X 染色體上有對(duì)應(yīng)者的。許多 Y 染基因（包括精子基因 RBMY 和 DAZ）以多個(gè)拷貝形式存在。此外，如前文所述，DNA 序列倒置、缺失的情況很常見(jiàn)。

Y 染色體還具備許多似乎對(duì)生物性狀無(wú)貢獻(xiàn)的 DNA 序列。此類“垃圾 DNA”由高度重復(fù)序列組成，這些序列源自舊病毒的碎片、死亡基因以及堿基的簡(jiǎn)單重復(fù)。

大量堿基重復(fù)序列占據(jù)了 Y 染色體的大部分；它們能結(jié)合熒光染料，讓你通過(guò)顯微鏡看見(jiàn)它們存在。

Y 很奇怪

Y 染色體為什么如此獨(dú)特？故事要從進(jìn)化講起。

大量證據(jù)表明，1.5 億年前， X 和 Y 只是一對(duì)普通染色體（鳥(niǎo)類和鴨嘴獸仍然如此），彼此并無(wú)差異，父母各提供一條——就像常染色體那樣。

后來(lái)，這對(duì)染色體上的 SRY 基因進(jìn)化，定義了一個(gè)種新的原始 Y 染色體（proto-Y）。根據(jù)定義，這種原始 Y 染被永遠(yuǎn)限制于睪丸內(nèi)，并且因大量細(xì)胞分裂和極少修復(fù)而發(fā)生一系列突變。

原始 Y 染迅速衰退，每百萬(wàn)年失去約 10 個(gè)活躍基因，數(shù)量從原來(lái)的 1000 個(gè)減少到目前的區(qū)區(qū)27 個(gè)。它一端的一個(gè)“偽常染色體（pseudoautosomal）”小區(qū)域保留了最初形式，與 X 染色體相同。

關(guān)于這種衰退會(huì)否持續(xù)，學(xué)界有很大爭(zhēng)論，因?yàn)榘凑者@個(gè)速度，全人類的Y染將在幾百萬(wàn)年內(nèi)消失（就像嚙齒動(dòng)物已經(jīng)遭遇的那樣）。

技術(shù)升級(jí)推動(dòng)測(cè)序突破

人類基因組的第一份草圖于 1999 年完成。自那以后，科學(xué)家們成功對(duì)所有常染色體以及X染色體進(jìn)行了測(cè)序（只留下少數(shù)缺漏）。

他們使用短讀長(zhǎng)測(cè)序（short-read sequencing）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，具體操作包括將 DNA 切割成大約一百個(gè)堿基的小片段，然后像拼圖一樣重新組裝它們。.

Y 染色體比 X 染色體小太多

當(dāng)然直到最近，新技術(shù)才有能力沿單個(gè)長(zhǎng) DNA 分子進(jìn)行堿基測(cè)序，得到數(shù)千個(gè)堿基的長(zhǎng)讀片段。這些較長(zhǎng)讀段更容易區(qū)分，故而更容易組裝。因此，科學(xué)家得以解析 Y 染色體上那些令人困惑的重復(fù)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

Y 染變變變

今年 3 月，美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所的生物信息學(xué)家亞當(dāng)·菲利普（Adam Phillippy）和端粒到端粒聯(lián)盟（T2T）報(bào)道了除Y染色體外的人類基因組完整測(cè)序。當(dāng)時(shí)，T2T 聯(lián)盟在社交媒體上表示，他們已經(jīng)掌握了 Y 染序列。

而眼下，正如他們于《自然》發(fā)表新文章所介紹的那樣，Y 染色體 6200 萬(wàn)堿基的復(fù)雜排列已被詳盡解析，此前部分測(cè)序工作所缺漏的 3000 萬(wàn)堿基信息也給補(bǔ)上了。

菲利普等人在《自然》上不只發(fā)了一篇文章，另一份同時(shí)見(jiàn)刊的工作對(duì)來(lái)自世界各地 21 個(gè)不同群體男性的 43 條 Y 染色體進(jìn)行了測(cè)序，旨在采樣人類的遺傳變異。

測(cè)序 43 條 Y 染后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它們的遺傳差異很大。團(tuán)隊(duì)成員之一查爾斯·李（Charles Lee）表示：

我很驚訝于 Y 染色體上某些基因的拷貝數(shù)差異。舉個(gè)例子，A 男性的 Y 染色體有 23 個(gè)名為 TSPY 的基因拷貝，該基因被認(rèn)為與精子形成有關(guān)，B 男性的 Y 染色體卻有 39 個(gè) TSPY 拷貝。

此外，他們還發(fā)現(xiàn) Y 染色體大量重復(fù)區(qū)域的大小和組成存在差異。

上圖顯示不同個(gè)體 Y 染色體尺寸的差異很大

遺傳學(xué)家馬克·喬布林（Mark Jobling，未參與工作）指出，Y 染色體上的 DNA 組織和保守水平表明它并未退化至消失邊緣。“這篇論文證實(shí)了Y染色體的基因內(nèi)容本質(zhì)上是保守的，Y 染色體仍在退化并注定消失的想法被這一事實(shí)徹底擊垮了。”

目前尚不清楚這些變異會(huì)否影響男性的生育能力或其他特征。但知道它們的存在，為我們后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。研究人員現(xiàn)在可以開(kāi)展大規(guī)模研究，挖掘 Y染色體變異與健康問(wèn)題的相關(guān)性，例如與 Y 染色體有關(guān)的膀胱癌。

參考資料

[1]The ‘weird’ male Y chromosome has finally been fully sequenced. Can we now understand how it works, and how it evolved?

策劃制作

來(lái)源 | 世界科學(xué)

編譯 | 嗶普星人

責(zé)編 | 楊雅萍