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Y染色體的演化速度顯著高於X染色體。
撰文 | 黃雨佳
審校 | clefable
2013年9月，英國博物學家戴維·阿滕伯勒（David Attenborough）曾在採訪中表示，“人類是唯一一種出於自己的自由意志而停止自然選擇的物種”。此話一齣，科學家紛紛表示反對。科學研究表明，人類依然處於不斷演化的過程中。例如，最近一篇發表於《自然》（Nature）的研究表明，在包括人類在內的多種靈長類動物中，Y染色體正在快速演化，並且其演化速度顯著快於X染色體。
最後一塊拼圖
人類Y染色體正在快速演化並不是什麼新鮮的故事。早在2010年，美國麻省理工學院的戴維·C.佩奇（David C. Page）教授帶領的團隊就曾在《自然》發表論文，揭示了這一現象。在此之前，人們一直以為小小的Y染色體是一條常染色體在演化過程中因基因丟失而形成的，並且其丟失基因的速度起初非常快，而後陷入了相對停滯的狀態。
然而，佩奇和同事測序了黑猩猩Y染色體上的雄性特異性區域（MSY）後卻發現，雖然人類和黑猩猩的基因組序列相似度高達98.8%，但MSY在序列結構和基因含量方面卻顯著不同，這種差異遠遠超過了其他染色體。這說明，在600萬年前，黑猩猩和人類譜系分道揚鑣後，Y染色體演化的速度比其他染色體快得多。
但是，要獲得更多Y染色體演化相關的資訊，還需要不同物種Y染色體的完整序列。而Y染色體中的大部分都由高度重複的DNA序列組成，因此測序完整的Y染色體序列十分困難。即便是人類的Y染色體，其中也有幾乎一半的序列資訊在很長時間內處於完全空白的狀態。直到2023年8月，美國國立衛生研究院（NIH）下屬人類基因組研究所（NHGRI）的亞當·菲利皮（Adam Phillippy）才帶領團隊，首次公佈了人類Y染色體完整的、帶註釋的參考序列，完成了人類基因組的最後一塊拼圖。這項研究發表於《自然》雜誌。
菲利皮團隊能完成如此突破性的工作，得益於長讀長DNA測序技術的發展，以及研究人員開發的處理和組裝重複序列的全新演算法。在這些技術的推動下，菲利皮等人共同建立了“端粒到端粒”（T2T）聯盟，旨在測序完整的人類基因組。
圖片來源：NHGRI
在Y染色體諸多型別的重複序列中，一種重要的重複DNA名為“迴文序列”。它與語言中的迴文類似，包含倒置的DNA重複，無論正讀還是反讀，DNA序列的順序都是相同的。因此，使用過去的測序手段，科學家無法確定這些“相同”的DNA序列在基因組上究竟應該是什麼方向。但現在，有了新的手段，科學家就能精準定位Y染色體中的迴文序列發生倒置的具體位置。
而在最近發表的這篇《自然》論文中，菲利皮團隊又進一步測序了6種靈長類動物X和Y染色體的完整序列，包括5種類人猿——黑猩猩、倭黑猩猩、西部低地大猩猩、婆羅洲猩猩和蘇門答臘猩猩，以及一種與人類親緣關係較遠的靈長類動物——合趾猿（一種長臂猿）。他們還比較了這些猿類與人類的性染色體序列，揭示了靈長類性染色體的演化歷程。
菲利皮團隊的研究結果顯示，類人猿Y染色體的基因數量遠遠少於X染色體，這與佩奇團隊2003年在人類基因組中發現的結果一致：人類X染色體攜帶約1000個基因，而Y染色體僅攜帶78個編碼蛋白質的基因。此外，菲利皮團隊還發現，猿類X染色體中90%以上的序列與人類X染色體一致，表明X染色體在數百萬年的演化過程中相對保持不變；而猿類Y染色體中卻只有14%至27%的序列與人類Y染色體序列一致，再次證實Y染色體正在快速演化。考慮到這些類人猿與人類譜系分開的時間並不長，這些物種間Y染色體的差異程度之大，令科學家感到十分震驚。
緣何快速演化
相比於X染色體，為什麼Y染色體的演化速度會格外地快呢？對於這一點，科學家提出了幾種可能性。首先，每個細胞通常最多隻會有一條Y染色體，因此如果Y染色體上的基因受損，那麼細胞中的另一條性染色體（即X染色體）上並不會攜帶相應的基因複製，也就無法作為修復Y染色體受損基因的模板。於是，Y染色體上的DNA突變便會不斷累積。
其次，Y染色體的快速演化也可能源自一種名為雄性突變偏倚（male mutation bias）的現象。研究表明，男性透過胚系突變（即來源於生殖細胞的突變）傳給後代的突變數量是女性的3倍。一種廣為流傳的解釋是，這是由於男性和女性生殖細胞的複製存在差異：與卵子生成相比，精子生成涉及更多DNA複製，而每次複製都可能引入DNA突變。
然而，一些全基因組的研究結果挑戰了這種解釋。例如，一些研究表明，在青春期後不久，男性生殖細胞基因突變的情況就已經超過了女性；透過對比不同物種的精子發生週期和它們父系突變的積累率，研究人員發現即便是精子發生週期相差兩倍的物種，其父系突變的積累率也基本相同，約為每年1.5個突變。此外，不同組織中的體細胞突變率也與這些體細胞的複製頻率無關，這說明複製次數可能不是導致出現雄性突變偏倚現象的主要因素。
圖片來源：NHGRI
因此，在一篇2023年發表於《當代生物學》（Current Biology）的論文中，研究人員提出了一種“有缺陷的雄性”（faulty male）假說。他們認為，除青春期後的生殖細胞複製差異之外，雄性哺乳動物DNA突變率更高可能有其生理和分子層面的因素。例如，與女性相比，男性在修復和保護DNA免受損傷方面的能力可能較弱：精子和卵母細胞中的DNA包裝方式不同（精子中的DNA會結合魚精蛋白，而卵母細胞中的DNA則纏繞在組蛋白上），也可能存在不同的突變機制；而且，女性X染色體上的一些基因可能有助於DNA修復。此外，性激素的水平也可能影響突變的發生。
除缺乏修復模板和雄性突變偏倚之外，最近這篇靈長類動物性染色體論文的作者還認為，具體到這篇研究，種群規模也可能是影響Y染色體演化速度的因素之一。該研究中涉及的非人靈長類都是瀕危的類人猿，因此它們的野外種群數量十分有限。再加上這些有限種群中只有一半的個體擁有Y染色體，又會使得實際攜帶Y染色體的有效種群規模進一步縮小。
不過，需要說明的是，Y染色體比X染色體的演化速度更快，並不意味著男性在演化方面更加“高階”
。
參考來源：
https://www.science.org/content/article/tv-host-s-comments-human-evolution-draw-fire
https://www.nature.com/articles/nature08700
https://news.mit.edu/2010/y-chromosome-0114
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06457-y
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07473-2
https://www.nih.gov/news-events/news-releases/scientists-generate-first-complete-chromosome-sequences-non-human-primates
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982223012745
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