人類性染色體的起源與發(fā)展趨勢
——從生物學(xué)教材所引發(fā)的思考與討論

1 由高中生物學(xué)教材得到的啟發(fā)

作為一名中學(xué)生，筆者通過對(duì)高中生物學(xué)必修2（遺傳與進(jìn)化）教材的拓展學(xué)習(xí)，不僅把握了對(duì)應(yīng)于高等教材的課程知識(shí)自然生長點(diǎn)，而且體會(huì)了課程標(biāo)準(zhǔn)中所要求的思維能力［1］。 在探索真知中收獲成果的同時(shí)，也不禁對(duì)那些患有遺傳病的患者感到遺憾和同情，同時(shí)立志為他們解除病痛做些可能的專業(yè)知識(shí)探索。 在人教版高中生物學(xué)必修2 教材中，最令筆者感到好奇的是那一對(duì)“與眾不同”的性染色體。 教師上課時(shí)對(duì)性染色體相關(guān)知識(shí)的精彩點(diǎn)撥與拓展，更激發(fā)了筆者的濃厚興趣。 于是，筆者查閱文獻(xiàn)，歸納、整理相關(guān)資料，也參考前人的評(píng)述［2］，對(duì)人類性染色體未來的演變趨勢進(jìn)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(dòng)物的性別由外界環(huán)境，特別是溫度所決定； 許多植物和低等動(dòng)物的性別由特定同源染色體上的一對(duì)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(shù)目）決定。 特別是，包括鳥類、哺乳動(dòng)物的許多高等動(dòng)、植物的性別由一對(duì)異形染色體決定，這便是本文關(guān)注的性染色體。其中，包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的性染色體類型是XY 型，即雌性是同型染色體的表現(xiàn)型（同配性別），雄性是異型染色體的表現(xiàn)型（異配性別）。

這一對(duì)異形性染色體對(duì)人類的重要性不言而喻。 基于人類生殖母細(xì)胞減數(shù)分裂與受精作用時(shí)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(duì)種族延續(xù)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(yīng)，也體現(xiàn)包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物在進(jìn)化上的先進(jìn)性，是人類較高進(jìn)化程度的一種體現(xiàn)。 此外，Y 染色體上特有的遺傳物質(zhì)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(wěn)定遺傳，這是性染色體對(duì)人類穩(wěn)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(duì)人類生存有重要意義的基因。 根據(jù)相關(guān)資料，在X 染色體上已發(fā)現(xiàn)的致病基因，常導(dǎo)致嚴(yán)重的病癥。 例如：基因缺陷引起的重癥肌無力（asthenic bulbar paralysis）表現(xiàn)為肌肉萎縮癥（muscular dystrophy），血友病（bleeder disease）導(dǎo)致血小板減少癥（thrombocytopenia），抗維生素D 佝僂?。╲itamin D-resistant rickets）表現(xiàn)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(shí)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(guān)系著人類的生命健康。 在基因診斷與基因治療等相關(guān)醫(yī)療技術(shù)正在興起的今天，人類性染色體的深入研究對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展有重大意義。

同樣，隨著人類基因組測序計(jì)劃的展開和深入，Y 染色體上也發(fā)現(xiàn)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(nèi)含子基因），就是雄性性別發(fā)育和產(chǎn)生相關(guān)性征的基礎(chǔ)。 SRY 作為TDF 的候選基因是1990年由Goodfellow 根據(jù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)定位在Y 染色體短臂上的。 如果SRY 基因發(fā)生突變，就不能產(chǎn)生正常的睪丸決定因子，就會(huì)導(dǎo)致原始性腺中胚層轉(zhuǎn)換分化方式而發(fā)育成卵巢，使胎兒雌性化，產(chǎn)生非正常的雌性生殖器官，體現(xiàn)為表型女性（與正常女性性染色體不同，故此區(qū)分）。 將TDF 的相關(guān)研究與現(xiàn)代基因編輯技術(shù)相結(jié)合對(duì)某些性別缺陷進(jìn)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(xì)胞遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)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(qū)段存在“精子生成基因”，由于源自對(duì)無精子癥患者的研究，將該基因的產(chǎn)物命名為“無精子因子”［5］。

近30 多年來，與男性精子發(fā)生相關(guān)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(dá)。 1992年，Vogt團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Y 染色體上此區(qū)域有許多位點(diǎn)與精子發(fā)生相關(guān)，其中最主要的是AZF 上互不重疊的3個(gè)區(qū)段（Y 染色體近段、中段和遠(yuǎn)段），分別稱為AZFa、AZFb 和AZFc。1999年，Kent2First 等報(bào)道認(rèn)為，在AZFb 和AZFc 之間還應(yīng)該有一個(gè)基因，命名為AZFd。 不難看出，Y 染色體上的許多基因或DNA 區(qū)段對(duì)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(diǎn)。

此外，性染色體的演變更是人類區(qū)別于其他生物的重要方面。 研究指出，人類Y 染色體的進(jìn)化速度比其他基因快2%左右。 科學(xué)家通過將人類的基因與最像人類的“近親”猩猩相比對(duì)，發(fā)現(xiàn)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(gè)百分點(diǎn)的進(jìn)化速度差異。 性染色體的演變對(duì)于人類進(jìn)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(nèi)的諸多生物的性染色體究竟是如何起源的？根據(jù)現(xiàn)已掌握的事實(shí)和資料，可以進(jìn)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(duì)等位基因決定的，這是一個(gè)客觀事實(shí)。主流學(xué)說認(rèn)為，與性染色體的同源異形現(xiàn)象相一致，是因?yàn)檫@對(duì)決定性別的等位基因中雄性的決定因子存在于該對(duì)同源染色體中的一條（由于生殖必須雌雄交配，新個(gè)體中的該對(duì)同源染色體一條來自父方，一條來自母方），隨著時(shí)間推移過程中環(huán)境對(duì)物種的選擇，對(duì)雄性個(gè)體有利而雌性個(gè)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(fā)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(jié)果，會(huì)導(dǎo)致雄性動(dòng)物丟失Y 染色體在重組之前所含有的必需基因，雌性動(dòng)物多出原本只會(huì)出現(xiàn)在Y 染色體上的非必需基因甚至有害基因。 于是，在進(jìn)化過程中，對(duì)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(gè)區(qū)域的基因演化出了重組抑制機(jī)制，以保護(hù)雄性特有的區(qū)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(fā)生重組。這個(gè)過程最終使得Y 染色體上約95%的基因不能發(fā)生重組（即使是在X 和Y 同源區(qū)段，即擬常染色體區(qū)段）［4］。 根據(jù)現(xiàn)有細(xì)胞遺傳學(xué)觀點(diǎn)，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(fā)生重組，被認(rèn)為容易發(fā)生損毀而導(dǎo)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(gè)基因中的1 393 個(gè)（約94%），平均每100 萬年丟失4.6 個(gè)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(shù)據(jù)推算，Y 染色體的退化速度是相當(dāng)快的。有人認(rèn)為隨著時(shí)間推移，終有一天Y 染色體將消失殆盡［5］。 關(guān)于這一點(diǎn)，將在隨后有關(guān)“人類性染色體的發(fā)展趨勢”中詳細(xì)討論。

從生物系統(tǒng)學(xué)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(dòng)物的雄性祖先最早可以追溯到5 億年前（此僅舉認(rèn)同較廣的一種說法），而Y 染色體的出現(xiàn)不到3.1 億年。 比爬行類高級(jí)一點(diǎn)的是哺乳動(dòng)物中的單孔類動(dòng)物，例如著名的鴨嘴獸、針鼴等。 單孔類動(dòng)物是具有Y 染色體的最古老動(dòng)物，它們的性別不再是簡單地由環(huán)境決定。 而哺乳動(dòng)物與爬行類動(dòng)物的分支進(jìn)化發(fā)生在3 億年前，所以可以推斷出Y 染色體出現(xiàn)在那個(gè)年代。 目前創(chuàng)造雄性所必須的基因出現(xiàn)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(gè)稱為SOX3（Sry-related HMG box 3）的基因發(fā)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(jù)資料表明，最新的研究表明XY 的決定系統(tǒng)大約在1.66 億年前出現(xiàn)［6］。

在此之外，還有部分科學(xué)家利用生物學(xué)上的分子進(jìn)化鐘做出估計(jì)，發(fā)現(xiàn)X 染色體和Y 染色體上的SOX 基因也已經(jīng)分離了3 億年。 后來再發(fā)生的染色體倒轉(zhuǎn)（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(zhuǎn)是染色體內(nèi)部區(qū)段發(fā)生重組的一種較常見方式，這種行為常導(dǎo)致染色體上基因的位置發(fā)生重新排列［7］，而在Y 染色體上發(fā)生的倒轉(zhuǎn)基因又不像X 染色體一樣還可以在雌性的細(xì)胞中得到同源染色體的修復(fù)幫助，所以這些倒轉(zhuǎn)了的區(qū)段還常被Y 染色體自身切除掉，結(jié)果隨著時(shí)間的流逝，在沒有備份可以彌補(bǔ)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(jié)構(gòu)。

4 人類性染色體的發(fā)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?？斓倪M(jìn)化學(xué)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(huì)消失殆盡嗎？ 人類男性和有性生殖會(huì)消失和退化嗎？根據(jù)現(xiàn)有資料，答案是否定的。 即便是Y 染色體自身消失，也絕不會(huì)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(jié)。 現(xiàn)代動(dòng)物學(xué)對(duì)于鼠類的研究：幾種同屬的鼠科及倉鼠科的嚙齒目動(dòng)物已經(jīng)通過下列途徑達(dá)到Y(jié) 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(zhuǎn)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(dòng)物的性別決定系統(tǒng)仍未被人們完全了解。 林旅鼠（Myopus schisticolor）、鄂畢環(huán)頸旅鼠（Dicrostonyx torquatus）中的眾多物種通過X 染色體和Y 染色體復(fù)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(gè)個(gè)體的單個(gè)體細(xì)胞只有一條X 染色體，只產(chǎn)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(xiàn)象（nondisjunction）產(chǎn)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(dòng)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(dòng)物（包括人類）的Y 染色體已嚴(yán)重退化這一現(xiàn)象預(yù)示著，這類動(dòng)物會(huì)相對(duì)較快地發(fā)展出新的性別決定系統(tǒng)［8］。 有研究者估計(jì)，人類將在約1400 萬年后獲得新的性別決定系統(tǒng)［8］。 此時(shí)間表未必準(zhǔn)確，但基于人類高速進(jìn)化的特點(diǎn)，并非隨意臆測。

進(jìn)化之路漫長而具有不確定性。 最新研究表明，Y 染色體已經(jīng)在演化過程中獨(dú)立地走過了很長的征程，已經(jīng)產(chǎn)生了許多保護(hù)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(duì)而言，X 染色體是一條比較保守的染色體，其發(fā)展相對(duì)緩慢，在很大程度上與常染色體非常類似。