性染色體的秘密：鴨嘴獸與雞如何實(shí)現(xiàn)性別基因平衡？

長期以來，人們普遍認(rèn)為，人類女性擁有兩條X染色體，男性則有一條X染色體和一條Y染色體，這種染色體數(shù)量的差異導(dǎo)致了性別間的生理差異。為了平衡這種差異，女性體內(nèi)的一條X染色體通常會(huì)被“沉默”，以確保男女之間相關(guān)基因產(chǎn)物的數(shù)量一致。這一過程被稱為“劑量補(bǔ)償”。

“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2024年7月29日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW Sydney）的研究團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了一篇重磅研究文章。來自新南威爾士大學(xué)的研究人員在對(duì)鴨嘴獸、雞的性別染色體系統(tǒng)進(jìn)行深入研究后，顛覆了這一傳統(tǒng)的認(rèn)知。

上圖：性染色體的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組劑量補(bǔ)償研究。圖示了不同研究物種及其各自性染色體和劑量補(bǔ)償系統(tǒng)之間的關(guān)系。每個(gè)物種中，性別之間的基因輸出是否平衡通過轉(zhuǎn)錄組（mRNA）和蛋白質(zhì)組（蛋白質(zhì)）的分子數(shù)量來表示。在有袋動(dòng)物中，綠色X染色體的轉(zhuǎn)錄水平被上調(diào)以匹配常染色體的轉(zhuǎn)錄輸出。在小鼠（mouse）、鴨嘴獸（platypus）和雞（chicken）中，橙色X/Z染色體表示部分上調(diào)，而在鴨嘴獸和雞中，藍(lán)色X/Z染色體則表示在同性染色體中沒有已知的部分上調(diào)?；疑旧w表示退化的性特異性Y或W染色體，黑色染色體則表示X/Z染色體經(jīng)歷了X染色體失活（XCI）。圖片來源：Lister, Nicholas C., et al.

這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們選擇了雞、鴨嘴獸作為研究對(duì)象。這主要是因?yàn)椋鼈兙哂胁煌男匀旧w系統(tǒng)，從而能夠提供關(guān)于“劑量補(bǔ)償機(jī)制”的寶貴對(duì)比數(shù)據(jù)。雞采用ZZ/ZW性染色體系統(tǒng)，而鴨嘴獸則具有復(fù)雜的性染色體結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)X染色體和退化的Y染色體。通過研究這兩種物種，科學(xué)家們可以比較和分析不同性染色體系統(tǒng)下的劑量補(bǔ)償機(jī)制，揭示轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控如何實(shí)現(xiàn)性別間基因劑量的平衡。這種比較研究有助于深入理解劑量補(bǔ)償機(jī)制的多樣性和復(fù)雜性。

該研究發(fā)現(xiàn)，鴨嘴獸和雞在平衡性別間蛋白質(zhì)水平方面，采用了與人類完全不同的機(jī)制。盡管它們的性染色體系統(tǒng)與人類存在顯著差異，但它們同樣面臨著確保雌雄個(gè)體蛋白質(zhì)產(chǎn)量平衡的挑戰(zhàn)。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管這些物種的雌雄個(gè)體之間mRNA水平存在差異，但蛋白質(zhì)水平卻驚人地相似。這一發(fā)現(xiàn)表明，劑量補(bǔ)償這一過程在擁有分化性染色體的物種中是普遍存在的，而不僅僅局限于哺乳動(dòng)物。

這項(xiàng)研究的意義在于，它拓展了我們對(duì)劑量補(bǔ)償這一基本生物學(xué)問題的理解，揭示了生物進(jìn)化過程中的多樣性和適應(yīng)性。它挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的基因調(diào)控理論，也為我們理解性別差異的起源和生物體的基本運(yùn)作提供了新的視角。通過對(duì)鴨嘴獸和雞等獨(dú)特物種的研究，科學(xué)家們能夠更深入地探索基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，為人類疾病的治療和預(yù)防提供新的思路，啟發(fā)未來在進(jìn)化生物學(xué)和醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。

研究人員強(qiáng)調(diào)，基因調(diào)控是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)層次的控制。通過對(duì)不同物種的比較研究，我們可以更好地理解基因如何被表達(dá)、蛋白質(zhì)如何被合成，以及這些過程在不同生物體中的差異。

海濕·小百科

性別染色體（Sex Chromosomes）是決定生物體性別的染色體類型。在哺乳動(dòng)物中，女性通常具有兩個(gè)X染色體（XX），男性具有一個(gè)X染色體和一個(gè)Y染色體（XY）。在鳥類中，雌性具有一個(gè)Z染色體和一個(gè)W染色體（ZW），雄性則具有兩個(gè)Z染色體（ZZ）。

轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（Post-transcriptional Control）指在基因轉(zhuǎn)錄之后，細(xì)胞通過調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性、翻譯效率等方式對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行控制，從而維持蛋白質(zhì)水平的平衡。在這篇文章中，盡管不同性別之間的mRNA水平不平衡，但在蛋白質(zhì)水平上保持了1:1的比例，這表明轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在劑量補(bǔ)償中發(fā)揮了重要作用。

異型性染色體（Heteromorphic Sex Chromosomes）是在不同性別個(gè)體中表現(xiàn)出不同形態(tài)或結(jié)構(gòu)的性染色體，例如XY和ZW系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，雄性和雌性個(gè)體具有不同的性染色體組合，導(dǎo)致性別相關(guān)的基因劑量不平衡。以XY系統(tǒng)為例，雄性擁有一個(gè)較小的Y染色體和一個(gè)較大的X染色體，而雌性則擁有兩個(gè)相同的X染色體。類似地，ZW系統(tǒng)中雌性擁有一個(gè)Z和一個(gè)W染色體，而雄性則擁有兩個(gè)相同的Z染色體。這種形態(tài)差異對(duì)性別決定及其相關(guān)基因的表達(dá)具有重要影響。

劑量補(bǔ)償機(jī)制（dosage compensation mechanism）是指在具有分化性染色體的生物體中，針對(duì)性染色體和常染色體之間基因劑量不平衡所采取的調(diào)控措施，以確保不同性別個(gè)體中基因表達(dá)的相對(duì)平衡。在具有分化性性染色體的物種中，如XY系統(tǒng)的哺乳動(dòng)物或ZW系統(tǒng)的鳥類，性別間的性染色體數(shù)目不同，導(dǎo)致性染色體上的基因劑量在雄性和雌性之間存在差異。例如，哺乳動(dòng)物中，雌性擁有兩個(gè)X染色體，而雄性只有一個(gè)X染色體。為了避免因X染色體基因劑量的不平衡對(duì)生物體產(chǎn)生負(fù)面影響，雌性體內(nèi)會(huì)發(fā)生X染色體失活（XCI），使得一個(gè)X染色體的基因表達(dá)被沉默，從而與雄性中的一個(gè)X染色體的基因劑量相等。在鳥類中，雖然尚未完全了解其劑量補(bǔ)償機(jī)制，但已知Z染色體上的基因在雄性和雌性中的表達(dá)也會(huì)經(jīng)過調(diào)節(jié)，以達(dá)到平衡。

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快訊 | Wendy
編輯 | Daisy
排版 | 綠葉

參考資料略