细胞生物学课程论文《Y染色体真的会消失吗？》.doc

细 胞 生 物 学 课 程 论 文题 目 Y染色体真的会消失吗？ 班 别 生技11-1班 学号 11114040127 姓 名 张镇柳 成 绩 Y染色体真的会消失吗？摘要 近年来，一些科学家认为Y染色体正呈萎缩之势，预计会在500万年内消失，而男性也会随之灭绝。染色体是基因的载体。人类的细胞中有23对染色体，其中包括22对常染色体和1对性染色体。性染色体包括X和Y染色体，决定人类的性别。男性的性染色体为XY，而女性为XX。与“勤劳强大”的X染色体相比，男性特有的Y染色体显得“懒惰矮小”。它不但体积不及X染色体的1/3，而且其中绝大多数DNA序列都是没有功能的，参与“工作”的基因甚至不及X染色体的1/10。Y染色体真的会消失吗？本文将进行简要分析介绍。关键词 染色体 Y染色体 男性 基因 SYR基因1 前言 近年来，一些科学家认为Y染色体正呈萎缩之势，预计会在500万年内消失，而男性也会随之灭绝。几年前，在一次名为“Y染色体的衰退和消亡以及男性未来”的讲座中，澳大利亚国立大学基因研究专家珍妮弗格雷夫斯指出：“3亿年前每个Y染色体上大约有1400个基因，而现在只剩下45个。按照这种衰减速度，500万年后Y染色体上就不再有任何基因了。Y染色体正在消亡，男性群体可能最终灭绝。”而Y染色体是男性所独有的、决定男性特征的染色体。有研究发现，Y染色体上的基因数目在不断减少，按此速度推算在约1000万年后Y染色体将完全消失，有人因此做出了男人将随之消失的推论。然而，格雷夫斯的观点经媒体报道后，在社会上引起极大反响。为了确定“Y染色体消亡说”是否存在夸大事实的嫌疑，在美国怀海德生物医学研究所研究人员珍妮弗休斯等人在比较了人和恒河猴的Y染色体上的基因后发现，人类Y染色体上基因衰减的速度正逐渐降低，几乎进入停滞状态。2 有关染色体染色体是细胞核中载有遗传信息（基因）的物质，在显微镜下呈圆柱状或杆状，主要由脱氧核糖核酸和蛋白质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（龙胆紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。1879年德国生物学家弗莱明（F1emingw）把细胞核中的丝状和粒状的物质，用染料染红，观察发现这些物质平时散漫地分布在细胞核中，当细胞分裂时，散漫的染色物体便浓缩，形成一定数目和一定形状的条状物，到分裂完成时，条状物又疏松为散漫状。1888年细胞核中的丝状和粒状的物质正式被命名为染色体。1956年，美籍华裔遗传学家Joe Hin Tjio (19192001，译为庄有兴或蒋有兴),和Levan首次发现人的体细胞的染色体数目为46条，标志着人类细胞遗传学的建立。染色体的结构是由两条染色单体(chrmatid)组成的。每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上的许多染色很深的颗粒状染色粒（chromomere）。染色粒的大小不同，在染色线上有一定的排列顺序，一般认为它们是由于染色线反复盘绕卷缩形成的。每个染色体所含的染色线是单线的，即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的，换言之，每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色线。当完全伸展时，其直径不过10nm，而其长度可达几毫米，甚至几厘米。当它盘绕卷曲时，可以收缩得很短，于是表现出染色体所特有的形态特征。3 有关Y染色体Y染色体是决定生物个体性别的性染色体的一种。男性的一对性染色体是一条X染色体和一条较小的Y染色体。在雄性是异质型的性决定的生物中，雄性所具有的而雌性所没有的那条性染色体叫Y染色体。对哺乳类来说，它含有SRY基因，能够触发睾丸的发生，因此决定了雄性性状。人类的Y染色体中包含约6千万个碱基对。Y染色体上的基因只能由亲代中的雄性传递给子代中的雄性（即由父亲传递给儿子），因此在Y染色体上留下了基因的族谱。4 Y染色体的结构4.1 Y染色体分带、分区Y染色体长度约为60Mb，由拟常染色体区和Y特异区组成。拟常染色体区(pseudoautosomal region , PAR) 位于Y染色体两端即PAR21 和PAR22 , 在男性减数分裂过程中, 可与X 染色体发生重组，其占Y染色体全长的5%。占Y 染色体全长95%的是为决定男性特征的特异区域（the male- specificregion of the Y chromosome，MSY）该区域由于不存在X-Y交换，曾被命名为非重组区域（NRY），但是研究发现这里有大量的重组，故而又称其为男性特异区域（MSY）。Y染色体的异染色区域主要包括三部分：1、着丝粒异染色质，约1Mb；2、长臂远端异染色质，约40Mb；这两个异染色质区域主要由低序列复杂性的串联重复序列组成。第3个异染色质区域是一个边界清晰的岛，覆盖了大概400kb的长度，包括3000个以上125bp的串联重复，该区域使得长臂近端的常染色质序列被打断。4.2 MSY结构MSY区域主要包括三类常染色质序列：X转位、X退化、增值子区域。可以认为MSY的常染色质是这三种序列的嵌合体。三类序列包含了所有156个已知转录单元，其中78个蛋白质编码基因，共编码27种不同蛋白质。在MSY的异染色质区域未发现任何转录单元。在约78个蛋白质编码单元中，又有60个属于9个不同的MSY特异性基因家族。4.3 Y染色体结构特点人类Y染色体结构具有鲜明的特点：大量的回文结构和重复序列或拷贝。人类Y染色体与其它染色体相比所含基因最少，但其重复序列的发生比例却最高。Y染色体基因多以多拷贝的形式存在，如VCK、XKRY、HSFY、PRY 基因等为2 拷贝； BPY2 基因3 拷贝；DAZ、CDY基因4拷贝、RBM Y基因有6拷贝；TSPY基因约有35拷贝。人类Y染色体有独特的短串重复序列2微卫星DNA和中度Alu家族重复序列，可能是人类进化的产物。Y染色体单倍体型或称Y染色体家系是指从单进化枝得来的Y染色体。使用分子标记(例如单碱基突变或插入/缺失标记)，能够分辨出不同位点的Y染色体单倍体型。而Y染色体上存在着高度变异的标记，使用变性高效液相色谱，可将人类的Y染色体分为153个单倍体亚型。在人类基因库中列出的Y染色体结构，属于Y染色体单倍体亚型R1。5 Y染色体发现及研究历程1903-1912年间内蒂斯蒂文斯（Neittie Stevens）发现拟步甲壳虫（Tenebrio）雌性幼虫细胞总含有20条标准尺寸的染色体，而雄性幼虫的细胞只含有19条大染色体和一条细小的染色体。此外雌虫产的卵细胞总含有10条大染色体，而雄虫的精子则含有9条大染色体和一条小染色体“Y染色体”。 内蒂斯蒂文斯意识到是这个小染色体并非X染色体控制着性别。1921年，Painter报道了利用光学显微镜发现了人类细胞存在男性特有的染色体: Y染色体。1976年， Tiepolo等研究发现Y染色体的长臂上存在与精子发生相关的基因，从而改变了人们传统观念上对Y染色体功能单一的认识，并开创了Y染色体功能研究的新领域。1990年，Sinclair等从人类Y染色体上分离出了性别决定基因SRY ( Sex - Determining Region Y) 。当然，Y染色体SRY基因对于男人的发育只是必要条件，并非充分条件，还需要一些睾丸促进因子、生精相关基因等。只有它们相互作用，最后才能刺激雄性生殖器官生成。2002 年格雷乌斯推算:人类Y染色体的灭亡时间不超过1000 万年。2003 年6 月19日，佩基实验室和华盛顿大学基因测序中心联合公布了Y染色体DNA 序列及其分析。Y染色体不和其他染色体进行DNA 重组以交换遗传物质，这是其不断走向灭亡的主要原因之一。佩基实验室的研究发现: Y染色体有许多重复的回文结构序列，且这些重复的回文结构有重组能力，Y染色体自己的一段和另一段之间进行重组，靠这样的自我重组来获得活力。这个能力是进化过程中用来自救的重要机制。6 Y染色体进化历程Y 染色体是由X 染色体进化来的，Y 染色体是进化的产物。通过DNA 序列分析，科学家已经证明性染色体来源于常染色体，而Y 染色体来源于X 染色体。古生物学家认为Y 染色体产生在哺乳动物与爬行动物及鸟类在进化树上分开之后，距今大约3.1 亿年。科学家描绘了人类Y 染色体由X 染色体进化来的历程：3 亿多年前，原始的X、Y 染色体与一对常染色体无异，偶然地，原始Y 染色体上的SOX3 基因发生变异形成了决定雄性的SRY 基因。岁月流逝，在距今21.7 亿年之间，原始Y 染色体发生了第一次“反转”(一种染色体内的重组，染色体两端的序列按反向交换位置)，反转的发生使得原始X、Y 染色体能够配对的区域迅速减少，不能配对的区域由于不能发生重组，导致基因的突变、序列的丢失，Y 染色体开始缩小；接下来的400 万年中，原始染色体又经历了一次“反转”, 当然个头也进一步萎缩；大约1.3 亿年前，原始X、Y 染色体端部都接受了一段常染色体的易位，同源配对区相应扩大了，然而好景不长，原始Y 染色体又“反转”了，DNA片段继续丢失，并且发生了染色体片段“重排”，与X 染色体差异越来越大；后来, 原始染色体从常染色体上得到了一个精子发生基因DAZ，并一再复制，直到今天，人类染色体中有4 个DAZ 的拷贝。3 亿多年的进化使人类Y 染色体成了今天的样子：大小只有X染色体1/3，全身布满了反向重复序列，只携带与雄性性别决定相关基因，并且它们常常是多拷贝的。Y染色体最终与它的搭档X分道扬镳。7 现代Y染色体的形成机制要形成现在的Y染色体，必须经历两个事件：原始Y染色体的退化和辜丸特异基因的获得。Y染色体的遗传退化是性染色体进化的共同特点。Y染色体某一时刻获得能产生男性特征的SYR基因，为了保留该基因，通过抑制其重组，从而逐步关闭了X-Y交换。而进化中X-Y交换的关闭引发了Y染色体基因功能的单调下降，大概还有几百个其它的X同源基因从进化的MYS中被彻底删除。可见Y染色体为了保持独特的性染色体功能，除保留必要的X同源基因以保证某些持家功能外，己经退化失去大部分基因或基因功能。Y染色体为了维持SYR的功能，必须还要获得其它基因(主要为睾丸特异基因)来提高SYR的稳定性，从而提高男性生存能力。基于这些基因在选择中存在的优势，它们在MSY中得到了保留并被大量扩增，直接导致了睾丸特异基因的多倍性，形成了现在的扩增区域。可见睾丸特异基因家族是通过选择保留和基因放大而获得。Lhan和Pa朗认为MSY中基因演化主要包含三种分子机制:基因保留、NDA转座和反转座。扩增序列的几个基因簇(例如DAZ簇、RMB簇和TSYP簇)是由其它常染色体基因转座到Y染色体并随后扩增的结果，而像CYD基因簇则是由常染色体基因CYDL的mNRA进行反转座，再对反转座基因扩增而产生。转座和反转座的结果是常染色体基因到Y染色体的复制性转移，在进化中原有基因和转移而来的Y染色体基因都得以保留。8 Y染色体正在消亡理论及证据！由于Y染色体主体部分的Y特异区在减数分裂时没有和X染色体重组，（事实上，配对染色体之间的重组可以使染色体上出现坏的突变后容易被进化选择而淘汰，从而保持染色体的“活力”。而在这方面，Y染色体并不具备这样的“更新”能力）因而除突变外，同一父系的所有男性个体都有相同的单倍型。精细胞是人类遗传变异的主要来源，而Y染色体重组能力下降，不能有效更正突变了的基因，结果会导致Y-DNA链不断毁坏和缩短。其次，由于Y染色体是通过男性精子传给下一代的，一个30 岁男性的精子DNA 复制次数，比卵子多了350 次。染色体每多复制一次，发生基因突变的可能性就大一点。基因突变会使新一代Y染色体不能百分之百的遗传上一代Y染色体的功能，这样，经过一段时间后，原始Y染色体的功能就会不复存在。可以说Y染色体上基因突变造成的损失是永久性的，并且会在男性中代代遗传下去。第三，对于在DNA 自我复制过程中造成的丢失, Y 染色体也不能像其他染色体那样通过配对重组的方法来相互弥补损失。由于Y 染色体重组能力下降，不能有效更正出了问题的DNA，会导致DNA 链不断毁坏和缩短，从而使Y染色体上的基因逐渐丢失。依据这样的理论，以英国爱丁堡大学遗传学家布瑞恩查尔沃斯为代表的研究人员提出了Y染色体消亡论：认为Y染色体上的基因突变造成的损失是永久的，并且会在男性中代代遗传下去，这样，经过一段时间后（约500万年），原始Y染色体的功能就不复存在，最终Y染色体从地球上消失。如果这一切成为现实的话,即使不会给人类带来灭顶之灾,也会导致种属变化，也就是说人类将变成与现在不同的另一类物种。9 Y染色体不会消失人类基因组计划启动后，以Skalctsky为代表的研究人员提出反对Y染色体消亡论。研究发现Y染色体的结构有两个显著的特点：（1）含有大段的重复区域，这些重复很可能是为了确保这些基因不丢失的一种保护机制。（2）这些基因以回文结构排列，这种以回文结构排列的基因具有修复突变的作用，使Y染色体拥有了自我保护能力。为了确定“Y染色体消亡说”是否存在夸大事实的嫌疑，最近美国怀海德生物医学研究所研究人员珍妮弗休斯等人在比较了人和恒河猴的Y染色体上的基因后发现，人类Y染色体上基因衰减的速度正逐渐降低，几乎进入停滞状态。人和恒河猴曾经拥有共同的祖先，在他们走上各自进化道路的2500万年里，虽然人类Y染色体的长度远远超过恒河猴，但是他们Y染色体的基因构成基本一致。休斯说，与恒河猴Y染色体相比，人类Y染色体2500万年来只流失了一个基