怀特黑德生物医学研究所 研究人员研究了三种蛇的性别特异性染色体上的基因，包括五步蝰蛇(左)、侏儒响尾蛇(中)和高山蝰蛇(右)，寻找形成它们进化的力量的线索
信用:西部侏儒响尾蛇，图片来自圣
密苏里州圣路易斯市，加利福尼亚州圣路易斯奥比斯波县的西部陆生吊带蛇 如果你是一个基因，特定性别的染色体是一个危险的地方
因为这些染色体——人类的Y染色体——没有匹配的染色体来交换遗传信息，它们很容易在一个称为遗传衰退的过程中左右丢失非必需的基因
现在，科学家丹尼尔·温斯顿·贝洛特在怀特海研究所成员大卫·佩奇的实验室里进行了一项新的研究，通过观察进化树中一个特别脆弱的分支:蛇，拓宽了我们对基因在特定性别染色体上存活的原因的理解
将蛇类性别特异性染色体上幸存的基因与那些因时间的摧残而丢失的基因进行比较，可以让科学家了解我们今天所知的塑造性染色体的进化过程
“你可能会想，‘这些是性染色体，所以幸存的基因应该和性有关，对吧？’”贝洛特说道
“但他们没有
" 相反，这些基因中的许多对动物的生存至关重要，并参与关键的发育过程
“事实证明，性别特异性染色体上的这些存活基因可能在控制染色体上所有基因的阅读、解释和表达方面起着非常重要的作用，”佩奇说，他也是麻省理工学院的生物学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员
“温斯顿的研究对于我们理解性染色体是什么，两性是如何形成的，以及男性和女性的健康和疾病特征是如何相似或不同的，绝对是基础性的
" 到底什么是性染色体？ 在进化过程中，所有的性染色体开始都是规则的，匹配的染色体称为常染色体
然后，在这条线上的某个地方，一个突变发生了，其中一条染色体获得了一个“开关”，当它出现时，会导致胚胎发育成特定的性别
贝洛特说:“制造一条性染色体实际上非常容易。”
“在大多数情况下，你只需要改变一两个基因，你就启动了性染色体系统
" 这个过程在进化过程中已经发生过无数次了
有道理；有性生殖是确保遗传多样性的有效途径
但整件事有点神秘；例如，某些染色体是否倾向于成为性染色体？ 这就是贝洛特认为蛇可能特别有用的地方
贝洛特说:“蛇有一个相对古老的性染色体系统，在这个系统中，你有很多时间让染色体分叉。”
“时间已经把所有不重要的基因都卷走了，你可以看看还剩下什么样的基因
" 他们的性染色体系统也是从不同的常染色体进化而来的，比人类晚了大约1亿年，因此可以提供一个有益的视角来考虑我们自己的基因组
为了进一步了解这些染色体的进化，贝洛特和佩奇首先收集了一份“祖先基因”的清单，这些基因可能在蛇性染色体进化而来的染色体上
几个与蛇有远亲关系的动物物种的新测序数据意味着他们有一个更完整的这些基因的列表——确切地说是1648个
贝洛特开始费力地筛选保留在三种蛇的性别特异性染色体上的基因:侏儒响尾蛇、高山响尾蛇和五步蛇
他最终确定了103个祖先基因，这些基因在蛇的性染色体上存活了9000万年
有了这张清单，贝洛特就可以问，这些幸存的基因有什么共同点，使它们区别于数百个因基因衰退而从蛇的性染色体上消失的基因
什么造就了幸存者？ 令贝洛特惊讶的是，留在蛇性别特异性染色体上的基因与性别决定无关；它们也没有在特定性别的组织中更频繁地表达，或者在一种性别中比在另一种性别中更频繁地表达
相反，贝洛特和佩奇的研究确定了导致基因在蛇性别特异性染色体上存活的三个关键特性
首先，基因必须对剂量敏感
换句话说，蛇的身体依靠它的细胞来产生精确数量的该基因的蛋白质产物
再多或少，蛇都会生病或死亡
第二，一个存活的基因可能在全身不同的组织中广泛表达，而不是局限于一个特定的器官或区域
第三，幸存的基因受到强烈的净化，或负面的选择
简而言之，这意味着如果这些基因中的一个出了问题，这条蛇存活或产生后代的可能性很小
当贝洛特深入研究基因的功能时，他发现，对许多基因来说，人类中相同的基因在关键的发育过程中发挥了作用，如面部的形成
当这些基因在人类中发生突变时，他们的脸——以及身体的其他重要部分——将无法正常发育
“温斯顿在这里看到的是，保存在蛇的性别特异性染色体上的基因与人的出生缺陷不成比例地相关，”佩奇说
“我们认为大自然正在为[性染色体的存活选择基因，这些基因在胚胎发育的某些部分的剂量是特别关键的
" 贝洛特说，随着时间的推移，这可能会让科学家预测那些在发育障碍中起作用的基因，这些基因尚未被发现
佩奇说:“从某种意义上来说，当你开始在头脑中逆向进行实验时，你会说，‘让我们来看看蛇和鸟的性别特异性染色体上的一组基因，但这些基因还没有与人类的先天缺陷联系起来。’”
“他们可能是迄今无法解释的出生缺陷的主要原因
" 从蛇到人类 接下来，研究人员试图扩大他们的范围
他们将三种蛇和38种鸟类和哺乳动物的祖先基因与一个更大的基因库进行了比较，直到今天
鸟类和哺乳动物染色体上的许多存活基因与蛇染色体上的基因功能不同，但同样，大多数基因与性别决定关系不大
佩奇说:“将蛇与鸟类和哺乳动物放在一起，给了温斯顿足够的数据点，让他能够看得更远、看得更精确。现在，他第一次能够证实一些我们怀疑了很久、但确实没有足够数据来确定的事情。”
“也就是说，成为性染色体的染色体并不倾向于在性别差异中发挥作用
在他们被从人群中挑选出来之前，他们在任何方面都不擅长区分性别
" 然后，随着时间的推移，基因消失了，进化的压力确保了同类基因的存活
性染色体——除了它们重要的发育转变——与性别决定关系不大的观点，挑战了关于性染色体实际是什么的普遍观念
佩奇说:“我希望人们能够理解这样一个观点，即成为性染色体的染色体并不是预先注定的。”
“他们只是普通的染色体在公园散步，发生了一些事情
" 将来，贝洛特和佩奇计划进一步扩大他们的研究范围，包括其他动物，最终目标是了解我们自己的性染色体
佩奇说:“我们把这些结果转化为一个镜头，通过这个镜头我们可以看到我们人类在健康和疾病方面的性别差异。”
“这项研究确实完善了我们对于人类X或Y染色体上的基因意味着什么，以及我们应该如何看待那些存活下来的基因的想法
"
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