Y染色體的發(fā)現(xiàn)及研究歷程簡介

馬小明

(甘肅省臨夏中學 731100)

人類的Y染色體被公認為是男性的象征，但它的長度大概只有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個編碼蛋白質的基因列在基因庫中，其重復序列與其他染色體相比是最高的[1]。人類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染色體才開始從X染色體中分化出來[1]。

1 早期動物細胞內Y染色體的發(fā)現(xiàn)

1890年，赫爾曼·亨金(Hermann Henking)在觀察紅蝽(Pyrrhocoridae)生殖器細胞時發(fā)現(xiàn)一條特殊的染色體，其他染色體都兩兩配對而這條染色體孤零零的獨處一方，他將這條染色體稱為 “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)依據其在堪薩斯大學對蝗蟲的研究作出判斷：X染色體是最可能對性別遺傳起作用的染色體，他稱含X染色體的精子與卵子結合后形成的受精卵發(fā)育為雄蟲，而精子中若沒有X染色體則與卵子結合會發(fā)育為雌蟲。他十分堅定的將X染色體定義為“雄性決定因素”[2]。

1903～1912年，內蒂·斯蒂文斯(Neittie Stevens)發(fā)現(xiàn)擬步甲殼蟲(Tenebrio)雌性幼蟲細胞含有20條標準尺寸的染色體，而雄性幼蟲的細胞只含有19條大染色體和一條細小的染色體。此外，雌蟲產的卵細胞總含有10條大染色體而雄蟲的精子則含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為“Y染色體(Y-chromosome)”[2]，并意識到是這條小染色體在控制性別。

2 人類Y染色體的發(fā)現(xiàn)和研究

1921年，Painter利用光學顯微鏡發(fā)現(xiàn)人類細胞內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Klinefelter (XXY) 性染色體構成的男性進行了研究，F(xiàn)ord對Turner (XO) 性染色體構成的女性進行研究，他們的研究結果說明Y染色體可能攜帶性別決定的關鍵基因[5]。

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

20世紀80 年代，美國科學家佩基(David Page) 領導的實驗室開始用現(xiàn)代分子遺傳學技術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，他們認為這段里面一個特定的基因zfy是決定男性的基因。1990年，澳大利亞女科學家格雷烏斯(Marshall Graves) 和英國的洛威爾-巴奇(Lovell-Badge) 發(fā)現(xiàn)了另外一個基因sry，這個基因最終被證明是決定男性的基因[1]?；騭ry只有在生殖腺里才制造相應的蛋白質，而這種蛋白質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，這些胚胎就會以“女兒身”出生；如果將sry基因添加到XX胚胎的染色體上時，出生的則酷似雄鼠[2]。

1990年，Sinclair等從人類Y染色體上分離出性別決定基因sry[5]。當然，Y染色體sry基因對于男性的發(fā)育只是必要條件，并非充分條件，還需要一些睪丸促進因子、精子生成等相關基因。只有它們相互作用，才能刺激雄性生殖器官生成。這一過程復雜且嚴密，任何一處出現(xiàn)異常都會導致發(fā)育異常，最終出現(xiàn)男性不育。

2003 年6 月19 日，佩基實驗室和華盛頓大學基因測序中心聯(lián)合公布了Y染色體DNA 序列及其分析。佩基實驗室的研究發(fā)現(xiàn)：Y染色體有許多重復的回文結構序列，且這些重復的回文結構有重組能力，Y染色體自己的一段和另一段之間進行重組，靠這樣的自我重組來獲得活力。

3 Y染色體的形成機制的探究

1967年，Ohno推測人類的X染色體與Y染色體是由一對普通的染色體分歧進化而來的[6]。而要形成現(xiàn)在的Y染色體，需要經歷兩個事件：①原始Y染色體的退化；②睪丸決定基因的獲得。推測這一過程：Y染色體在某一時刻獲得了能產生男性特征的sry基因；同時，Y染色體通過抑制其重組，一步步地關閉與X染色體之間的交換，從而保留住sry基因。而進化過程中X與Y交換的關閉則引起Y染色體基因功能的單調下降，例如，原本在X與Y中都存在的13種基因在Y染色體中已經退化為假基因，大概還有幾百個其他的X同源基因在進化過程中從原始的Y染色體中被徹底刪除?？梢?，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，己經喪失大部分基因或基因功能，但卻保持住獨特的性染色體功能。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周圍逐漸積累一些雌性性別抵抗基因(亦稱作雄性性別有利基因)，從而形成一個Y染色體雄性特異區(qū)(MSY)[7]。MSY不斷地擴大，影響了同源重組，進而造成這一區(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，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發(fā)生劑量補償效應。雄性性別有利基因通過功能特化(出現(xiàn)多個基因家族成員)、常染色體轉座子滯留和復制、擴增等手段在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的不斷擴大，在進化過程中，Y染色體不斷吸收一些常染色體片段來抑制這一區(qū)域的分化。所以，造成Y染色體上具有不同進化年齡和不同分化程度的片段。