男性基因正在消失？两篇 Nature 揭示人类Y染色体的遗传奥秘……

男性基因正在消失？两篇Nature揭示人类Y染色体的遗传奥秘……不过近期，最新的“长读”测序技术终于揭示了贯穿一整条Y染的完整遗传信息，对数十条来自全球男性的Y染色体实现了全面、可靠地测序。这一艰巨、突破性的工作于今年8月发表在《自然》杂志。同行表示，它将指引我们探索性别基因、精子基因的作用机制，理解Y染色体的进化方式，以及分析它会否如预测那样在几百万年内消失。SRY引导男人长大大约六十年前，我们就已知道有种特殊的染色体决定人类和其他哺乳动物的出生性别。女性有一对X染色体，而男性有一条X染色体和一条体型小得多的Y染色体。Y染色体决定男性性别，因为它携带一种名为SRY的基因，该基因指导胚胎内细胞脊发育成睾丸。胚胎睾丸会产生雄性激素，进而引导男婴男性特征的发育。XX型胚胎没有Y染色体和SRY基因，因此相同的细胞脊会发育成卵巢。然后，雌性激素诱导女婴女性特征的发育。Y染色体是DNA垃圾场？如前文所述，相比X染色体和另外22种常染色体，Y染色体相当独特，体型很小，携带基因也很少——区区27个，要知道X染上有大约1000个基因。Y染色体基因包括SRY、少量指导精子生产的基因、一些似乎对生命至关重要的基因——这些基因里有不少是在X染色体上有对应者的。许多Y染基因（包括精子基因RBMY和DAZ）以多个拷贝形式存在。此外，如前文所述，DNA序列倒置、缺失的情况很常见。Y染色体还具备许多似乎对生物性状无贡献的DNA序列。此类“垃圾DNA”由高度重复序列组成，这些序列源自旧病毒的碎片、死亡基因以及碱基的简单重复。大量碱基重复序列占据了Y染色体的大部分；它们能结合荧光染料，让你通过显微镜看见它们存在。Y很奇怪Y染色体为什么如此独特？故事要从进化讲起。大量证据表明，1.5亿年前，X和Y只是一对普通染色体（鸟类和鸭嘴兽仍然如此），彼此并无差异，父母各提供一条——就像常染色体那样。后来，这对染色体上的SRY基因进化，定义了一个种新的原始Y染色体（proto-Y）。根据定义，这种原始Y染被永远限制于睾丸内，并且因大量细胞分裂和极少修复而发生一系列突变。原始Y染迅速衰退，每百万年失去约10个活跃基因，数量从原来的1000个减少到目前的区区27个。它一端的一个“伪常染色体（pseudoautosomal）”小区域保留了最初形式，与X染色体相同。关于这种衰退会否持续，学界有很大争论，因为按照这个速度，全人类的Y染将在几百万年内消失（就像啮齿动物已经遭遇的那样）。技术升级推动测序突破人类基因组的第一份草图于1999年完成。自那以后，科学家们成功对所有常染色体以及X染色体进行了测序（只留下少数缺漏）。他们使用短读长测序（short-readsequencing）技术来实现目标，具体操作包括将DNA切割成大约一百个碱基的小片段，然后像拼图一样重新组装它们。.Y染色体比X染色体小太多当然直到最近，新技术才有能力沿单个长DNA分子进行碱基测序，得到数千个碱基的长读片段。这些较长读段更容易区分，故而更容易组装。因此，科学家得以解析Y染色体上那些令人困惑的重复和环状结构。Y染变变变今年3月，美国国家人类基因组研究所的生物信息学家亚当·菲利普（AdamPhillippy）和端粒到端粒联盟（T2T）报道了除Y染色体外的人类基因组完整测序。当时，T2T联盟在社交媒体上表示，他们已经掌握了Y染序列。而眼下，正如他们于《自然》发表新文章所介绍的那样，Y染色体6200万碱基的复杂排列已被详尽解析，此前部分测序工作所缺漏的3000万碱基信息也给补上了。菲利普等人在《自然》上不只发了一篇文章，另一份同时见刊的工作对来自世界各地21个不同群体男性的43条Y染色体进行了测序，旨在采样人类的遗传变异。测序43条Y染后，研究团队发现，它们的遗传差异很大。团队成员之一查尔斯·李（CharlesLee）表示：我很惊讶于Y染色体上某些基因的拷贝数差异。举个例子，A男性的Y染色体有23个名为TSPY的基因拷贝，该基因被认为与精子形成有关，B男性的Y染色体却有39个TSPY拷贝。此外，他们还发现Y染色体大量重复区域的大小和组成存在差异。上图显示不同个体Y染色体尺寸的差异很大遗传学家马克·乔布林（MarkJobling，未参与工作）指出，Y染色体上的DNA组织和保守水平表明它并未退化至消失边缘。“这篇论文证实了Y染色体的基因内容本质上是保守的，Y染色体仍在退化并注定消失的想法被这一事实彻底击垮了。”目前尚不清楚这些变异会否影响男性的生育能力或其他特征。但知道它们的存在，为我们后续研究奠定了基础。研究人员现在可以开展大规模研究，挖掘Y染色体变异与健康问题的相关性，例如与Y染色体有关的膀胱癌。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384955.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384955.htm

新研究揭示蝴蝶和飞蛾共享古老的DNA区块

新研究揭示蝴蝶和飞蛾共享古老的DNA区块英国埃克塞特大学、德国吕贝克大学和日本岩手大学的研究人员开发了一种分析各种蝴蝶和飞蛾染色体的方法。非洲帝王斑蝶的染色体。使用与荧光报告基因相连的DNA探针，红点突出显示了每条染色体的末端。资料来源：埃克塞特大学他们发现了存在于所有飞蛾和蝴蝶物种中的染色体块，还发现了毛翅目蝶科（石蛾，Trichoptera）的染色体块，这些蝶科水生蝶类在大约2.3亿年前与飞蛾和蝴蝶有着共同的祖先。飞蛾和蝴蝶（统称为鳞翅目）的染色体数量差异很大，从30到300不等，但这项研究的发现却显示了显著的证据，表明它们的同源区块（结构相似）可以追溯到很久以前。位于康沃尔郡埃克塞特彭林校区的生态学与保护中心的理查德-弗伦奇-康斯坦特教授说："DNA被压缩成单个颗粒或染色体，它们构成了遗传的基本单位。如果基因在同一根'弦'上，或者说在染色体上，它们往往会被遗传在一起，因此是'相连'的。然而，不同动物和植物的染色体数目相差很大，因此我们无法轻易分辨出哪些染色体与哪些染色体有关。当染色体数目差异很大时，这就成了一个大问题，鳞翅目昆虫就是如此。"雌雄非洲帝王斑蝶正在交配图片来源：埃克塞特大学"我们开发了一种简单的技术，可以观察每条染色体上基因块的相似性，从而让我们真实地了解它们是如何随着不同物种的进化而变化的。结果发现，所有蝴蝶和飞蛾中都存在30个基本的'同源'单位（字面意思是'在同一根绳子上'，绳子就是DNA），并且可以一直追溯到它们的姊妹蝶类。"蝴蝶通常被视为保护生物多样性的关键指标，而由于人类活动的影响，全球许多蝴蝶物种都在减少。然而，这项研究表明，它们也是研究染色体进化的有用模型。这项研究提高了科学界对飞蛾和蝴蝶基因如何进化的认识，重要的是，类似的技术也可能为其他动物或植物类群的染色体进化提供启示。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384813.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384813.htm

巨猿研究揭示 Y 染色体比 X 染色体进化更快

巨猿研究揭示Y染色体比X染色体进化更快猿类性染色体研究来自宾夕法尼亚州立大学、美国国家人类基因组研究所和华盛顿大学的一个国际研究小组为五个类人猿物种和一个较小类人猿物种的性染色体制作了完整的"端对端"参考基因组。他们的研究揭示了雄性特异性Y染色体的快速进化变化。这些发现加深了我们对性染色体进化的理解，有助于我们了解影响类人猿和人类的遗传疾病。类人猿中Y和X染色体的重要性"Y染色体对人类的生育能力非常重要，而X染色体则蕴藏着对生殖、认知和免疫至关重要的基因，"宾夕法尼亚州立大学生命科学维恩-威拉曼讲座教授、生物学教授兼研究小组组长卡捷琳娜-马科娃（KaterynaMakova）说。"我们的研究为今后研究性染色体、它们如何进化以及与之相关的疾病打开了大门。我们研究的非人类巨猿物种都濒临灭绝。获得它们完整的性染色体序列将有助于研究它们在野外的性别特异性散布及其对繁殖和生育的重要基因"。宾夕法尼亚州立大学和美国国家人类基因组研究所的研究人员领导的一项国际合作新生成了六个灵长类物种的性染色体的完整基因组，揭示了类人猿Y染色体的快速进化。这些结果可以为保护这些濒危物种提供信息，并揭示人类和我们近亲中与性有关的遗传疾病。图片来源：设计：鲍勃-哈里斯；摄影：圣地亚哥动物园和塔尔萨动物园从Y染色体变异性看进化的启示这种参考基因组是一个具有代表性的例子，有助于今后对这些物种的研究。研究小组发现，与X染色体相比，Y染色体在不同猿类物种之间的差异很大，而且含有许多物种特有的序列。然而，它仍然受到纯化自然选择的影响--这种进化力量通过清除有害突变来保护其遗传信息。这项新研究最近发表在《自然》杂志上。基因组测序的技术进步马科瓦说："2001年，研究人员对人类基因组进行了测序，但实际上并不完整。当时可用的技术意味着某些空白没有被填补，直到2022-23年由端粒到端粒（Telomere-to-Telomere，简称T2T）联盟领导的一项新的努力。我们利用人类T2T联盟开发的实验和计算方法，确定了我们在世近亲--类人猿--性染色体的完整序列。"类人猿的比较基因组学研究小组为五种类人猿--黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、婆罗洲猩猩和苏门答腊猩猩--以及一种较小的类人猿--暹罗猿--制作了完整的性染色体序列。他们为每个物种的一个个体生成了序列。生成的参考基因组可作为基因和其他染色体区域的图谱，帮助研究人员对该物种其他个体的基因组进行测序和组装。这些物种以前的性染色体序列不完整，或者婆罗洲猩猩和暹罗猩猩的性染色体序列不存在。该研究的共同第一作者、宾夕法尼亚州立大学博士后研究员KarolPál说："Y染色体的测序一直是个挑战，因为它包含许多重复性区域，而且由于传统的短线程测序技术是在短时间内对序列进行解码，因此很难将得到的片段按照正确的顺序排列。T2T方法使用长读数测序技术，克服了这一难题。我们与美国国家卫生与遗传研究所（NHGRI）的亚当-菲利皮（AdamPhillippy）研究小组合作，结合计算分析的进步，使我们能够完全解决以前难以测序和组装的重复区域。通过比较X染色体和Y染色体之间以及不同物种之间的差异，包括与之前生成的人类X染色体和Y染色体的T2T序列的差异，我们了解到了有关它们进化的许多新情况。"Y染色体的高变异性宾夕法尼亚州立大学医学基因组学中心主任马科瓦说："性染色体开始时与其他任何一对染色体一样，但Y染色体由于在其大部分长度上不与其他染色体交换遗传信息，因此在积累许多缺失、其他突变和重复元素方面一直独树一帜。"因此，研究小组发现，在六个猿类物种中，Y染色体在包括大小在内的各种特征上的变化要比X染色体大得多。在所研究的猿类中，X染色体的大小从黑猩猩和人类的1.54亿个ACTG字母（代表组成DNA的核苷酸）到大猩猩的1.78亿个字母不等。相比之下，Y染色体的大小从暹罗猩猩的3000万个DNA字母到苏门答腊猩猩的6800万个字母不等。例如，人类和黑猩猩之间约有98%的X染色体是一致的，但它们之间只有约三分之一的Y染色体是一致的。研究人员发现，部分原因是Y染色体更有可能被重新排列或部分遗传物质被复制。此外，在Y染色体上，重复序列所占染色体的百分比变化很大。根据物种的不同，重复元素占X染色体的62%到66%，而占Y染色体的71%到85%。与人类基因组中的其他染色体相比，X和Y染色体上的这些百分比都更高。Y染色体生存策略马科瓦说："我们发现猿猴的Y染色体正在缩小，积累了许多突变和重复，并丢失了基因。那么，为什么Y染色体没有像以前的一些假说所说的那样消失呢？我们与坦普尔大学的谢尔盖-科萨科夫斯基-庞德等人合作发现，Y染色体上仍有许多基因在净化选择--一种保持基因序列完整的自然选择--下进化。其中许多基因对精子发生非常重要。这意味着Y染色体不可能很快消失。"研究人员发现，Y染色体上的许多基因似乎采用了两种生存策略。第一种是利用基因冗余--染色体上存在同一基因的多个拷贝--这样基因的完整拷贝就能补偿可能发生突变的拷贝。研究小组首次完成了猿类性染色体上多拷贝基因家族的图谱，从而量化了这种基因冗余。第二种生存策略是利用回文，即DNA字母表中的字母序列后跟有相同但倒置的序列，例如ACTG-GTCA。当基因位于回文染色体内时，就能从回文染色体纠正突变的能力中获益。帕尔说："我们发现，Y染色体可以在两个回文染色体臂的重复序列之间与自身交换遗传信息。当同一基因的两个拷贝位于回文染色体内，其中一个拷贝发生突变时，可以通过与另一个拷贝进行基因交换来挽救突变。这可以弥补Y染色体与其他染色体遗传信息交换的不足。"研究小组还首次获得了猿类性染色体上回文染色体的完整序列，因为以前很难对它们进行测序和研究。他们发现，猿猴Y染色体上的回文染色体特别多而且特别长，但它们通常只在近亲物种之间共享。猿类基因组研究的进展研究人员还与约翰-霍普金斯大学的迈克尔-沙茨及其团队合作，对129只大猩猩和黑猩猩的性染色体进行了研究，以更好地了解每个物种内部的遗传变异，并寻找自然选择和其他进化力量作用于它们的证据。宾夕法尼亚州立大学生物学助理教授、论文作者之一ZacharySzpiech说："通过将大猩猩和黑猩猩的性染色体测序读数与我们的新参考序列进行比对，我们从之前研究过的大猩猩和黑猩猩个体中获得了大量新信息。虽然未来增加样本量将非常有助于提高我们检测不同进化力量特征的能力，但在与濒危物种合作时，这在伦理和后勤方面都可能具有挑战性，因此我们能最大限度地利用现有数据是至关重要的。"研究人员探索了能够解释大猩猩内部和黑猩猩内部Y染色体变异的各种因素，这一分析揭示了Y染色体上净化选择的额外特征。对未来研究和保护工作的影响宾夕法尼亚州立大学生物学助理教授克里斯蒂安-胡贝尔（ChristianHuber）是这篇论文的作者之一，他说："我们将生物信息学技术和进化分析有力地结合在一起，使我们能够更好地解释我们的近亲类人猿性染色体的进化过程。"此外，我们制作的参考基因组将有助于未来对灵长类进化和人类疾病的研究。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435167.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435167.htm

为什么许多试管婴儿的胚胎无法正常发育？

为什么许多试管婴儿的胚胎无法正常发育？通过对近千个胚胎进行基因测试，科学家们对人类体外受精后胚胎的命运进行了最详细的分析。在所研究的胚胎中，近一半的胚胎由于早期发育过程中的遗传错误而导致发育停滞--这一启示性的见解表明，随着生育治疗过程的改变，可能会有更多的试管婴儿顺利出生。发育停滞胚胎数据的独特组合也为人们揭示了自然受孕的最初阶段的神秘面纱。作者、约翰-霍普金斯大学生物学助理教授拉吉夫-麦考伊（RajivMcCoy）说："我们认为这也发生在自然受孕过程中，这就是为什么平均需要几个月或更长时间才能怀孕的原因。令人非常惊讶的是，这些胚胎停育现象中的大多数并非来自卵子形成过程中的错误，而是来自受精后细胞分裂过程中发生的错误。这些错误并非来自卵子这一事实表明，也许可以通过改变体外受精的方式来减轻这些错误。"这项研究最近发表在《基因组医学》杂志上。约翰霍普金斯大学和英国伦敦妇女诊所的研究人员比较了受精后几天内未能发育的试管婴儿胚胎和存活下来的胚胎，寻找基因差异。麦考伊说："基因检测通常只针对存活下来的试管婴儿胚胎，以决定将哪个胚胎移植到子宫中。但从生物学的角度来看，如果我们想了解是什么让这些胚胎存活下来，那么我们也必须对所有其他胚胎进行检测"。这些发现揭示了一些胚胎是如何在母体遗传物质预载到卵子中控制细胞分裂时开始正常生长的，而当胚胎的基因接管时，胚胎的生长就会出现动摇和停滞。一种常见的异常细胞分裂的延时剪辑，胚胎从单细胞的原生体直接分裂成三个（而不是两个）细胞。新研究表明，这种异常分裂与染色体异常和胚胎停育密切相关。图片来源：克里斯蒂安-奥托里尼人类细胞通常接收46条染色体，父母各23条。研究小组发现，不能存活的胚胎一开始具有46条染色体组，但随着细胞分裂，染色体数目会发生变化。麦考伊说："一开始是否有额外的染色体缺失并不重要，因为母体机器正在控制一切。当胚胎的基因组开启时，就是事情出错的时候"。人类胚胎在早期发育过程中染色体的增减率异常高，被称为非整倍体。数十年来，科学家们通过对试管婴儿胚胎进行筛查，对非整倍体进行了研究，并清楚地认识到这些错误是人类妊娠失败的原因。由于非整倍体在许多其他物种中都很罕见，这些发现有助于解释为什么人类的妊娠损失和流产如此普遍。非整倍体是人类每一代都在进行的一种极强的自然选择的例子。这可能只是人类生殖和发育的一个特征，但它对试管婴儿有影响。因此，从长远来看，我们希望能改进基因检测，改善试管婴儿的结果。研究人员计划对被捕胚胎的特定细胞进行更多测试，以追溯染色体的起源，了解异常细胞分裂是否与母体或父体遗传有关。他们还希望更好地了解胚胎培养皿中的化学成分等因素是否能提高胚胎存活的机会。合著者、伦敦妇女诊所生殖医学顾问迈克尔-萨默斯（MichaelSummers）说："通过进一步了解导致胚胎停育的机制，我们有可能纠正很多此类问题。问题可能是常用培养基的化学成分无法让所有胚胎生长，细胞分裂异常是由于卵子和早期胚胎受到压力，导致与染色体异常有关的异常分裂。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388375.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388375.htm

灵长类动物Y 染色体演化速快于 X 染色体 系因为保护重要基因免受复制错误影响

灵长类动物Y染色体演化速快于X染色体系因为保护重要基因免受复制错误影响近日科学家比较了黑猩猩、倭黑猩猩、西部低地大猩猩、婆罗洲猩猩、苏门答腊红猩猩，以及与人类亲缘关系较远的西亚芒长臂猿的性染色体，发现在所有研究物种中Y染色体的进化速度快于X染色体。研究还发现，即使同一属的物种，其Y染色体长度也差异显著。例如黑猩猩和倭黑猩猩Y染色体的长度存在巨大差异；苏门答腊猩猩Y染色体的长度是长臂猿Y染色体的两倍。相较之下，包括人类在内的这些灵长类动物的X染色体则高度保守。研究人员表示，雄性灵长类动物性染色体具备一个X染色体和一个Y染色体。Y染色体能如此快速进化的一个原因在于：它包含高度重复的遗传物质，如回文重复序列（该序列正向和反向读取均相同），因此可以保护重要基因免受复制错误的影响。关注频道@ZaiHuaPd频道爆料@ZaiHuabot

我国科学家全球首次实现哺乳动物完整染色体重排

我国科学家全球首次实现哺乳动物完整染色体重排记者从中国科学院获悉，我国科学家经过4年的研究，全球首次实现了哺乳动物完整染色体重排，并创造出具有全新染色体组型的实验小鼠。这项研究是我国在生物工程技术领域的重要突破，为人类探索哺乳动物进化、染色体疾病研究等提供了新方法。该成果今天（26日）在国际学术期刊《科学》上在线发表。染色体重排，也就是染色体发生断裂与别的染色体相连构成新的染色体。在漫长的生物演化过程中染色体会发生重排，此变化是物种进化的重要驱动力，但它是如何影响物种进化的，在科学界一直没有定论。中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员科研团队合作，利用实验小鼠单倍体胚胎干细胞和基因编辑工具，成功将其最长的1号和2号染色体进行正反连接，并将中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接，结果发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。这表明，来自实验小鼠的两条独立存在的染色体在基因编辑后，可以以非同源末端连接修复的方式连接为一条染色体。这是全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排，这在合成生物学上是一个新的突破。在此基础上，研究人员进一步研究了特定染色体重排连接所产生的影响，发现哺乳动物细胞的染色体长度存在一定限制。他们通过单倍体干细胞注射到卵母细胞的方式，成功得到染色体连接的小鼠。一系列新发现证明，染色体重排会对哺乳动物生殖、发育、进化、行为等多方面产生影响，为进化生物学研究提供了新的思路。中国科学院动物研究所研究员李伟：我们人类的很多疾病，比方说在一些白血病，在一些生殖不育的疾病里头，很多都是因为染色体重排导致的，那现在我们拥有了这项技术，我们就可以利用小鼠的模型在实验室里头来模拟这些疾病，然后进而寻找它们的发病机制，找到它们的治疗方法，为人类的健康造福。（总台央视记者褚尔嘉刘彤）...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1308861.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1308861.htm