解釋Y染色體丟失的新理論
日期:2014-06-19 09:22:22
目前,德克薩斯大學阿靈頓分校(UT Arlington)的一個研究小組稱,他們通過對4000多種甲蟲的遺傳信息進行研究,提出了關于“為什么一些物種的Y染色體丟失,而另外一些物種(如人類)卻保留它”的一個新理論,他們稱之為“脆性Y染色體假說”。
生物學家們的想法是,Y染色體的命運,深受減數分裂或精子生產在一個生物體內如何起作用的影響。他們認為,X和Y遺傳信息融合或重組的區域,可以作為一個強大的線索,暗示物種在精子產生過程中處于Y染色體丟失的風險。先前的工作認為,Y染色體缺失是因為其攜帶更少的重要基因。
德克薩斯大學阿靈頓分校的博士生Heath Blackmon指出,以前對性染色體的大多數研究,既在哺乳動物中,也在果蠅中。但是,甲蟲是地球上變化最多的組群,科學家們已經描述和命名了350,000多種甲蟲。
Blackmon指出:“我們想進行這項研究的一個目的是,看看甲蟲是否能揭示出性染色體進化方式的任何新信息。”Blackmon和UT Arlington的生物學副教授Jeffery Demuth,將相關研究結果發表在最近的《Genetics》雜志。這項研究由美國國家衛生研究院贊助支持。
X和Y染色體基因控制人類的性別決定,XY染色體組合為男性,而XX染色體組合為女性。研究人員研究這些染色體的進化,在某種程度上,是為了了解關于人類進化和疾病的更多信息。某些疾病,如血友病,只與性染色體上的基因有關。
像人類一樣,甲蟲的性別決定是由一對XY染色體控制,大多數Y染色體比X染色體小。許多相同的進化動力應該在兩組都起作用。
Demuth表示:“我們實驗室感興趣的一件事情是,基因組結構的演變以及在何種約束下演化。性染色體特別有趣,因為它們很明顯是一個關鍵的發育開關,如果出錯,會導致過多或多少的副本,引發幾種重要的人類疾病。”
除了與哺乳動物相關的XY染色體組合之外,鳥類和其他動物還有ZW組合。在大自然的某些情況中,Y和W在進化中都丟失,產生了XO和ZO組合。
傳統上,科學家們將Y染色體的丟失解釋為,它不能包含足夠多的重要遺傳信息,所以它可有可無。在這一過程中,任何重要的基因從Y轉移到其他染色體,性別決定采取不同的路線。一些科學家甚至推測,在Y染色體上的所有基因丟失之前,人類Y染色體只大約只有1千萬年。
為了查明是否還有其他原因引起Y染色體丟失。Blackmon和Demuth組建了4724種甲蟲(也稱為鞘翅目)的一個染色體組型(一種染色體圖)數據庫。在這個大的范圍內,他們發現了他們所說的“性染色體系統的明顯變化”。然后,他們把注意力集中在甲蟲家族最大的兩個亞目——多食亞目,具有相對穩定的一個Y染色體,和肉食亞目,其有一個不穩定的Y染色體。
由此產生的脆性Y染色體假說,關注精子產生時X染色體和Y染色體如何分開的差異。許多物種,包括人類,其X染色體和Y染色體上有空間,在那里兩個染色體重組或融合。這就是所謂的“擬常染色體區域”(PAR)。在具有一個PAR的物種中,它是確保精子接受X或Y染色體的關鍵。
以前的遺傳學研究表明,自然選擇可縮小X和Y染色體之間的重組區域,使一個基因的不同版本傳遞給對它們最有利的性別。新的研究稱,PAR收縮,能夠使這樣一些后代產生,這些后代不具有更可能來自父親的X或Y染色體。
此外,有一些物種沒有擬常染色體區域,特殊的蛋白質帶領X和Y染色體前往精子細胞。UT Arlington研究小組的新理論稱,對PAR依賴性的缺乏,可使這些物種更不可能經受Y染色體丟失。
UT Arlington研究小組在甲蟲中所得到的結果,經得住哺乳動物世界的比較。胎盤哺乳動物通常需要PAR,以如實地將X和Y分離到精子中,而有袋類哺乳動物如袋鼠則不能。這個假說預測,胎盤哺乳動物已經多次丟失了Y染色體,而有袋類哺乳動物則沒有。此外,在胎盤哺乳動物中,具有較小PARs的動物,如嚙齒類動物,Y染色體丟失最常見。
Blackmon稱:“我們在動物中發現的模式確認非常重要,因為它意味著,即使在分離了上百萬年的群組中,也存在這個假說所預測的模式。哺乳動物和鳥類似乎具有非常穩定的性染色體和性別決定。許多其他的動物組群(包括魚類)的性染色體更容易受進化影響而發生改變。”
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