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用交通来揭秘为什么X染色体如此奇特

2016/09/30 来源:环球科学
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导读
不同于所有其他的染色体,女性体内的两条X染色体中的一条几乎在所有细胞中都是没有活性的。这条X染色体的突变率也非常低,最令人费解的是,在它上面发现的有活性的基因只存在于相对较少的组织中。最近的研究用交通作为类比,初步阐明了X染色体的生物学机制,该研究结果已发表于《PLOS Biology》杂志。

X染色体在某个时刻进化得与其他染色体不同。

你也许不知道你的一条染色体——X染色体——与其他染色体是完全不同的,并且它在过去十多年间一直困扰着科学家。在哺乳动物进化早期,我们现在熟知的X染色体与其他染色体是一样的。但是不知何时,它进化成了不同的样子。

不同于所有其他的染色体,女性体内的两条X染色体中的一条几乎在所有细胞中都是没有活性的。这条X染色体的突变率也非常低,最令人费解的是,在它上面发现的有活性的基因只存在于相对较少的组织中。我们最近的研究用交通作为类比,初步阐明了X染色体的生物学机制,该研究结果已发表于《PLOS Biology》杂志。

两性的斗争

人体的每个细胞一般都包含23对染色体,其中只有一对在男性和女性中是不同的,那就是性染色体。如果你在生物学上是一个女人,那么你遗传了两条分别来自于你父亲和母亲的X染色体;如果你在生物学上是一个男人,那么你遗传了来自你母亲的X染色体和来自你父亲的Y染色体。

与所有其他的染色体一样,X染色体上携带的基因也能表达蛋白,继而产生可观察到的性状。这是通过转录来实现的,在转录的过程中,一条DNA的单链副本被复制出来,进而被解码翻译为蛋白质。基因这样被加工处理的过程称为“被表达”。从本质上来说,基因表达翻译了储存在DNA中的遗传信息,从而将其转变为可见的性状。

在20世纪80年代,一项研究推测X染色体上的基因应该是倾向于只在男性或女性的个体中开启表达,从而产生了两性间的差异。这能解释女性和男性间存在的某些差异(该研究具体探索了大角羊的角在形状和大小方面的差异)。而且当X染色体上出现新的突变时,在女性中产生的影响来自两次选择的结果,是在男性中产生影响的两倍。因此一个对女性有利但对男性有害的突变还是会被保留下来。

男性的46条染色体。女性不同于此的是,男性的Y染色体在女性中是X染色体。图片来源:国家人类基因组研究所

但是这实际上并没有解释为什么X染色体上的基因不像其他基因那样在很多组织中都表达。我们发现在人类基因图谱FANTOM5中,即使将在与性别相关的组织中(例如子宫、睾丸、卵巢)表达的基因从方程剔除后,这个趋势依然存在。

我们的研究检测了另一种可能性——要提高在X染色体上表达的基因的量是很难的,基因的表达还需要其他蛋白,这些蛋白被称为转录因子。转录因子附着在基因周围的DNA上,并行使类似于“开关”的功能。要提高基因的表达水平需要增加这些蛋白的量,因为转录因子能通过与相应的基因结合来刺激基因表达。但是在男性的唯一一条X染色体中,这些蛋白只能结合一个位点而不是两条X染色体的两个位点;而在女性中,两条X染色体中的一条是没有活性的。

其他染色体上的类似基因如果需要快速表达,有两个位点可以被同时激活。例如,在一些细胞中,我们需要血红蛋白将更多的氧气从呼吸器官运输到其他器官,这时,表达血红蛋白的基因就会比任何其他组织或细胞中的其他基因的表达速率都要快。然而,X染色体就像是一条单行道,比起双行道来,单行道在高峰期的时候只能承受较少的交通量,从而导致基因表达的“交通堵塞”。

交通堵塞

我们猜测,当高峰期交通流量很大时,X染色体上的基因会出问题。而我们的统计分析结果也显示,不出所料,X染色体上的高峰期交通流率还不到其他基因的一半。

在交通堵塞的时候加速是很难的。图片来源:美国人口统计局/维基百科

此外,在进化过程中,从X染色体移动到其他染色体上的基因与向相反方向移动的基因是不同的:移动到X染色体上的基因比移动到其他染色体上的基因的表达峰值速率更低。在X染色体上表达度更高的基因比起其他基因来说,更难以在进化过程中增强表达水平。毕竟要想在交通堵塞的单行道上加速是很难的。

同样,交通堵塞这个概念也解释了X染色体上的基因为什么只在极少数组织中表达这个古老的秘密。很多组织中被表达的基因都是表达峰值速率非常高的基因。根据交通堵塞的模型,高度表达的基因并不能在X染色体上实现同等效率的表达,实际上,随着X染色体的进化,大量高度表达的基因似乎脱离了X染色体。同理,在X染色体上也没有发现有高表达峰值速率的组织特异性的基因。与X染色体相关的基因也不在具有高峰交通流率的组织中(比如具有高度分泌活性的组织如胰腺)表达。

这些研究结果表明,要想了解基因和染色体是如何进化的,我们也许需要更多地考虑基因和染色体一开始所处的物理环境所具有的局限性,而不是只从基因角度去研究不同生物性别上的差异。

这个研究也有一些实际应用方面的意义。例如在基因治疗方面,当我们试图采用一个新基因来弥补突变体时,我们或许应该尽可能地避免将新基因插入X染色体中,因为那样会阻碍基因的正常表达。

作者简介:Laurence D. Hurst,巴斯大学米尔纳进化中心进化遗传学教授;Lukasz Huminiecki,(瑞典)乌普萨拉大学生物信息学家。Laurence D. Hurst的研究基金来自医学研究委员会、生物技术及生物科学研究委员会和欧洲研究委员会。Lukasz Huminiecki的研究基金来自瑞典研究委员会。

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