Y染色體的衰退似乎是生物界的普遍現象，許多人因此擔憂，人類的Y染色體會消失嗎？事實上，有許多種小老鼠早就失去了Y染色體卻依然可辨雌雄，它們會是人類演化的未來嗎？

撰文 | 餘井

我們知道，大多數哺乳動物的性別是固定的，而且是由2條性染色體——X和Y決定的。一般來說，哺乳動物從母親那裡獲得一條X染色體，從父親那裡獲得一條X或者Y染色體。攜帶XX染色體的動物會長出子宮、卵巢，攜帶XY染色體的則會長出睪丸和對應的生殖器。

不過，在這個常規裡卻有例外。一些哺乳動物已經完全放棄了Y染色體。更奇怪的是，雖然沒有Y染色體，它們出生的時候卻已經具有了特定的性別。

這類哺乳動物就是齧齒動物，小老鼠們。

一、不需要Y染色體的老鼠們

齧齒動物中，有不少種類已經徹底擺脫了Y染色體，比如鼠科的

鼴形田鼠（Ellobius talpinus）| 圖片來源：wikipedia

鼴形田鼠的3個種，鼴形田鼠（Ellobius talpinus）、坦氏鼴形田鼠（Ellobius tancrei ）和阿賴鼴形田鼠（Ellobius alaicus）都沒有Y染色體，它們無論雌雄都具有XX基因型，也就是有兩條X染色體。而鼴形田鼠屬的另一個種土黃鼴形田鼠（Ellobius lutescens）和裔鼠屬中的奄美裔鼠（Tokudaia osimensis）、德之島裔鼠（tokudaia tokunoshimensis）這兩個種一樣，都具有X0基因型，即X0♂/X0♀，無論雌雄都只有一條X染色體。

那麼，沒有Y染色體，這些齧齒動物是怎麼決定自身的性別呢？

• 奄美裔鼠的性別如何形成？

我們先來看看科學家對裔鼠屬的小耗子們做的研究。

奄美裔鼠（Tokudaia osimensis）| 圖片來源：asianscientist

日本奄美大島的特有種奄美裔鼠，它們的雄性和雌性都只有X染色體，基因型為X0。2019年，為了研究奄美裔鼠是如何在沒有Y染色體的情況下產生性別的，密蘇里大學和北海道大學的研究者分離了雌雄奄美裔鼠大腦中的RNA，研究了它們的轉錄過程，並將相關研究發表在《BMC基因組學》上。

基因的表達包含轉錄和翻譯兩個過程，在轉錄過程中，來自基因的遺傳信息傳遞給信使RNA，而在翻譯過程中則由信使RNA進一步傳遞給蛋白質。不過，即使是同一種基因，也可以形成不同的信使RNA，這些不同的信使RNA也被稱為轉錄本。

轉錄本的微小變化可能會影響終產物蛋白質的功能。這項研究的主要作者Cheryl Rosenfeld 介紹說，雖然雌雄奄美裔鼠的性染色體完全相同，但雄性奄美裔鼠被上調的轉錄本比雌性多幾百個，也就是說雄性的轉錄本比雌性多，這可能導致了它們的性別差異。

這項研究進一步發現，轉錄的差異可能是表觀遺傳的結果。通俗來說，如果將DNA看作是一張記錄著蛋白質製造方法的藍圖，那麼表觀遺傳就是在不改變這張藍圖的情況下，有選擇地閱讀和使用藍圖裡的設計圖紙的過程。

他們發現，雄性奄美裔鼠的轉錄本大多表達的是鋅指蛋白的基因。在普通哺乳動物中，鋅指蛋白對基因表達的調控具有重要作用，它們好比是DNA藍圖的使用指南，可以影響怎麼讀取和使用DNA，影響著細胞的分化，包括性別分化。研究人員據此猜想，雄性奄美裔鼠可能加大了鋅指蛋白轉錄本的“火力”，以補償SRY基因的缺失；而在缺乏某些鋅指蛋白轉錄本的情況下，雌性就能產生生殖腺和雌性腦。但是奄美裔鼠是如何做到這點的，我們目前還不得而知。

• 可以跨物種變性的奄美裔鼠

奄美裔鼠更厲害的一點是它們的幹細胞可以跨物種變性。

在2017年發表在《科學·進展》（Science Advances）上的一項研究中，日本宮崎大學的Arata Honda和同事將一隻雌性奄美裔鼠尾部的皮膚細胞轉化成了iPS細胞（誘導性多能幹細胞）。接著他們把這些幹細胞注入一個不同的物種——實驗用小家鼠胚胎中，然後把胚胎移植到母家鼠體內。母家鼠最終誕下了13只嵌合體，也就是體內有奄美裔鼠細胞的家鼠。

在這13只嵌合體成年後，研究者追蹤了來自母奄美裔鼠的iPS細胞在家鼠體內的位置。有趣的是，不僅出現在雌性家鼠卵巢裡的iPS細胞長成了未成熟的卵細胞，出現在雄性

在此之前，研究者還從來沒有把雌性動物的幹細胞變成成熟的精子。對於普通家鼠，如果把雌性的iPS細胞注入雄性胚胎體內，這些細胞會很快死亡。因此，奄美裔鼠的這種跨物種靈活“變性”能力可謂非比尋常。

一般來說，精子發生需要Y染色體上的SRY基因，它可以產生DNA結合蛋白，最終導致睪丸的形成和睪酮激素的分泌。睪酮可以刺激雄性哺乳動物生殖道其他部位的發育，並讓大腦變得雄性化。而奄美裔鼠是沒有Y染色體的，從而也就失去了SRY基因這個性別分化的重要開關，那麼在這種情況下，奄美裔鼠的幹細胞如何在其他物種體內分化成生殖細胞呢？到目前為止，這個問題還是個謎。

• 沒有Y染色體的小老鼠們

同樣沒有Y染色體的鼴形田鼠（具有XX基因型）的性別決定機制也很有趣。

2017年發表在 Genes 上的一項研究指出，一些鼴形田鼠物種的Y染色體曾經丟失過兩次，即它們在第一次丟失後曾經重新獲得了新的Y染色體，而這個新的Y染色體後來再度丟失。不過在Y染色體丟失之前，它們的一部分基因往往已經轉移到了X染色體上，且X染色體還獲得了1個或多個多見於Y染色體的Eif2s3y基因的拷貝。

其實，不僅裔鼠屬和鼴形田鼠屬的齧齒動物可以放棄Y染色體直接開掛，連普普通通的小鼠都有“變性”的逆天本領。

2014年和2016年，夏威夷大學的Yasuhiro Yamauchi 和同事發現，缺乏Y染色體的小鼠如果能夠過表達（某個基因產生大量目標蛋白質）Y染色體相關的基因，或是過表達和精子發生有關的非Y染色體基因，也可以產生雄性的球形精子細胞（已經完成減數分裂的單倍體精細胞）。

除了上面這些讓Y染色體失去存在感的技能，其他齧齒動物還開發出了各種奇葩的性別分化和生殖方式。比如，黑足旅鼠（Myopus schisticolor）和北極旅鼠（Dicrostonyx torquatus）在傳統的XX♀和XY♂之外，還具有基因型為XY（一般是雄性旅鼠）的有生育能力的雌性。想想看，如果人類具有這種能力，那麼女裝大佬親自生兒育女將不是夢。

黑足旅鼠（Myopus schisticolor）| 圖片來源：wikipedia

北極旅鼠（Dicrostonyx torquatus）| 圖片來源：wikipedia

遍佈北美的爬行田鼠（Microtus oregoni）的雌性只有一條X染色體，它們只能產生攜帶X的配子。而它們的雄性的基因型雖然是XY，但卻只能產生Y配子或不含任何性染色體的配子（細胞分裂時染色體不分離）。

爬行田鼠（Microtus oregoni）| 圖片來源：iNaturalist

瞭解了齧齒動物們五彩斑斕的“性別認同”世界後，相信你會對這些貌不驚人的小動物們刮目相看。所以問題就來了，齧齒動物是哺乳動物中的奇葩嗎，它們的Y染色體為什麼可以經常黑頭像下線呢？

科學家們早就發現事情並不簡單，這並不是齧齒動物的問題，而是Y染色體的通病。

二、Y染色體衰退

齧齒動物的Y染色體飄忽不定，究其原因和Y染色體衰退脫不了干係。澳大利亞國立大學的榮譽教授Jennifer Graves表示：“至少有兩類齧齒動物已經不靠Y染色體了。在實驗新的性染色體方面，齧齒動物領先於靈長動物，人類不應該沾沾自喜。”

要了解Y染色體為什麼會衰退，就要先了解它是怎麼來的。

關於性染色體是如何出現的，目前的主流學說認為，性染色體起源於一對同源常染色體（減數分裂時看到的兩兩配對的染色體），後來出現了性別決定的基因，這些決定性別的基因會和染色體上的特定位置連鎖，最終演化出重組抑制，也就是說X和Y染色體不重組，不像普通的同源染色體會互相交換一段胳膊一段腿。

但是，Y染色體會變得越變越小的命運在誕生之初似乎就被決定了，這個現象後來被命名為Y染色體衰退（Y chromosome degeneration）。最早發現Y染色體衰退的是哥倫比亞大學的動物學家 Hermann Muller。在1914年，他在研究果蠅的時候發現了Y染色體衰退的現象。

果蠅 | 圖片來源：wikipedia

1964年發表在Chromosoma上的一篇論文注意到，蛇的性染色體的形態和異形染色體的演化有著對應關係，這篇論文在學術界確立了Y染色體衰退的觀念。後來有數不勝數的研究發現，在哺乳動物、果蠅，還有一些植物的演化過程中，Y染色體一直在縮小。其實和裔鼠以及鼴形田鼠類似，不少生物的Y染色體已經完全消失了，比如大多數線蟲動物的基因型是XX或X0。而許多生物雖然有Y染色體，卻不攜帶基因。

Y染色體衰退的現象事實上也出現在人類身上。在上世紀六十年代，醫生們就發現，隨著年齡的增長，白細胞裡的Y染色體會逐漸丟失。2019年年底，劍橋大學的生物學家利用英國生物庫（UK BioBank）超過20萬例男性樣本的研究發現，大約有20%的人已經丟失了部分Y染色體。

有許多模型嘗試解釋Y染色體的衰退現象。它們的共同觀點是，對於一個不發生重組的染色體來說，自然選擇的淨效率會顯著下降。如果某個染色體能夠重組，那麼自然選擇會對不同突變分別對待；但是如果不存在重組，那麼自然選擇就會對整條染色體進行水桶效應式的操作——如果出現了一個有害突變，整條染色體都會遭殃。最終，Y染色體會累積有害突變，有利突變則不容易在Y染色體上累積。

不過到目前為止，Y染色體衰退的速率還是一個迷。理論上，如果Y染色體的衰退速率保持恆定，那麼和年輕的Y染色體相比，老一倍的Y染色體所含的基因應該只剩一半。可是有不少生物並不符合這個規律。果蠅中的D. pseudoobscura 種的Y染色體是在1500萬年前形成的，開始有3000多個基因，但是現在依然還剩十幾個。黑腹果蠅（D. melanogaster）的Y染色體雖然也有6000萬年的歷史，但是也還有十幾個基因剩著。

Y染色體衰退速率的不確定性也引發了人類對於自身的擔憂：人類的Y染色體會消亡嗎？會在何時消亡呢？

三、人類的Y染色體會消亡嗎？

人類的X和Y染色體是在2-3億年前單孔目分離後出現的。人類的Y染色體是個矮子，在23對染色體中，其他22對的大小都相差無幾，但是隻有Y染色體和X染色體相差巨大。

人類的Y染色體（紅框）| 圖片來源：wikipedia

上世紀50年代的時候，美國人類遺傳學會 (American Society of Human Genetics) 主席、基因學家Curt Stern做了一次報告，在報告中他指出Y染色體攜帶的基因非常少。和3億年前曾經攜帶與X染色體共有的600個基因的盛況相比，如今的Y染色體上只有19個基因了。

一些科學家認為，由於抗拒重組，人類的Y染色體遲早也是要涼涼的。上文提到的Graves就是這種觀點的支持者。2002年，Graves和紐卡斯爾大學的R. John Aitken在《自然》上撰文指出，從早期的哺乳動物到靈長動物，Y染色體一直在縮小。他們預測，人類的Y染色體將在一千萬年內絕跡。

不過，在理論悲觀的大背景下，出現了一些積極的證據。這個證據是對人類Y染色體衰退的一個有力駁斥。大概在三千萬年前，恆河猴就和人類發生了分化，但是恆河猴Y染色體上的基因卻和人類的差不多，這意味著人類的Y染色體在過去三千萬年裡基本保持著穩定。

此外，2014年發表在《自然》上的一項研究顯示，Y染色體上有一些重要的基因，比如調節蛋白質合成以及基因活性的基因，在心臟和血液等器官和組織裡也有表達。這些重要的基因阻止了Y染色體進一步變小。

所以，小老鼠們會不會是人類演化的指南針呢？大概只有時間才能給出答案了吧。

參考文獻

Abbott, Jessica K., Anna K. Nordén, and Bengt Hansson. "Sex chromosome evolution: historical insights and future perspectives." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 284.1854 (2017): 20162806.

Aitken, R. John, and Jennifer A. Marshall Graves. "Human spermatozoa: the future of sex." Nature 415.6875 (2002): 963.

Arakawa Y, Nishida-Umehara C, Matsuda Y, Sutou S, Suzuki H (2002). "X-chromosomal localization of mammalian Y-linked genes in two XO species of the Ryukyu spiny rat". Cytogenetic and Genome Research. 99 (1–4): 303–9.

Bachtrog, Doris. "Y-chromosome evolution: emerging insights into processes of Y-chromosome degeneration." Nature Reviews Genetics 14.2 (2013): 113.

Becak, Willy, et al. "Close karyological kinship between the reptilian suborder Serpentes and the class Aves." Chromosoma 15.5 (1964): 606-617.

Charlesworth B, Dempsey ND (April 2001). "A model of the evolution of the unusual sex chromosome system of Microtus oregoni". Heredity. 86 (Pt 4): 387–94.

Hoekstra HE, Edwards SV (September 2000). "Multiple origins of XY female mice (genus Akodon): phylogenetic and chromosomal evidence". Proceedings. Biological Sciences. 267 (1455): 1825–31.

Honda, Arata, et al. "Flexible adaptation of male germ cells from female iPSCs of endangered Tokudaia osimensis." Science advances 3.5 (2017): e1602179.

Marchal JA, Acosta MJ, Bullejos M, Díaz de la Guardia R, Sánchez A (2003). "Sex chromosomes, sex determination, and sex-linked sequences in Microtidae". Cytogenetic and Genome Research. 101 (3–4): 266–73.

Matveevsky, Sergey, et al. "Chromosomal evolution in mole voles Ellobius (Cricetidae, Rodentia): Bizarre sex chromosomes, variable autosomes and meiosis." Genes 8.11 (2017): 306.

Muller, Hermann J. "A gene for the fourth chromosome of Drosophila." Journal of Experimental Zoology 17.3 (1914): 325-336.

Ortega, Madison T., et al. "Sexual dimorphism in brain transcriptomes of Amami spiny rats (Tokudaia osimensis): a rodent species where males lack the Y chromosome." BMC genomics 20.1 (2019): 87.

Ortiz MI, Pinna-Senn E, Dalmasso G, Lisanti JA (2009). "Chromosomal aspects and inheritance of the XY female condition in Akodon azarae (Rodentia, Sigmodontinae)". Mammalian Biology. 74 (2): 125–129.

Wilson MA, Makova KD (2009). "Genomic analyses of sex chromosome evolution". Annual Review of Genomics and Human Genetics. 10 (1): 333–54.

Yamauchi, Yasuhiro, et al. "Two Y genes can replace the entire Y chromosome for assisted reproduction in the mouse." Science 343.6166 (2014): 69-72.

Yamauchi, Yasuhiro, et al. "Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction." Science 351.6272 (2016): 514-516.

www.nytimes.com/2017/05/12/science/amami-spiny-rat-y-chromosome-male.html

www.nature.com/news/reprieve-for-men-y-chromosome-is-not-vanishing-1.15103

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

《返樸》，科學家領航的好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧共同出任總編輯，與數十位不同領域一流學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫返樸公眾號後臺。

閱讀更多 返樸 的文章

關鍵字: 動物 日本 遺傳