我們知道,，大多數(shù)哺乳動物的性別是固定的,，而且是由2條性染色體——X和Y決定的。一般來說,，哺乳動物從母親那里獲得一條X染色體,，從父親那里獲得一條X或者Y染色體,。攜帶XX染色體的動物會長出子宮、卵巢,，攜帶XY染色體的則會長出睪丸和對應(yīng)的生殖器,。

不過，在這個常規(guī)里卻有例外,。一些哺乳動物已經(jīng)完全放棄了Y染色體,。更奇怪的是，雖然沒有Y染色體,，它們出生的時候卻已經(jīng)具有了特定的性別,。

這類哺乳動物就是嚙齒動物，小老鼠們,。

嚙齒動物中,，有不少種類已經(jīng)徹底擺脫了Y染色體，比如鼠科的裔鼠屬（Tokudaia）和倉鼠科的鼴形田鼠屬（Ellobius）,，從而也就丟失了位于Y染色體上,，對性別分化來說十分重要的SRY基因（sex-determining region Y）。SRY基因是調(diào)節(jié)大多數(shù)雄性哺乳動物生理發(fā)育的關(guān)鍵開關(guān),。

鼴形田鼠（Ellobius talpinus）| 圖片來源：wikipedia

鼴形田鼠的3個種,，鼴形田鼠（Ellobius talpinus）、坦氏鼴形田鼠（Ellobius tancrei ）和阿賴鼴形田鼠（Ellobius alaicus）都沒有Y染色體,，它們無論雌雄都具有XX基因型,，也就是有兩條X染色體。而鼴形田鼠屬的另一個種土黃鼴形田鼠（Ellobius lutescens）和裔鼠屬中的奄美裔鼠（Tokudaia osimensis）,、德之島裔鼠（tokudaia tokunoshimensis）這兩個種一樣,，都具有X0基因型，即X0♂/X0♀,，無論雌雄都只有一條X染色體,。

那么，沒有Y染色體,，這些嚙齒動物是怎么決定自身的性別呢,？

• 奄美裔鼠的性別如何形成？

我們先來看看科學(xué)家對裔鼠屬的小耗子們做的研究,。

日本奄美大島的特有種奄美裔鼠,，它們的雄性和雌性都只有X染色體，基因型為X0,。2019年,，為了研究奄美裔鼠是如何在沒有Y染色體的情況下產(chǎn)生性別的，密蘇里大學(xué)和北海道大學(xué)的研究者分離了雌雄奄美裔鼠大腦中的RNA,，研究了它們的轉(zhuǎn)錄過程,，并將相關(guān)研究發(fā)表在《BMC基因組學(xué)》上,。

基因的表達(dá)包含轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程，在轉(zhuǎn)錄過程中,，來自基因的遺傳信息傳遞給信使RNA，而在翻譯過程中則由信使RNA進(jìn)一步傳遞給蛋白質(zhì),。不過,，即使是同一種基因，也可以形成不同的信使RNA,，這些不同的信使RNA也被稱為轉(zhuǎn)錄本,。

轉(zhuǎn)錄本的微小變化可能會影響終產(chǎn)物蛋白質(zhì)的功能。這項研究的主要作者Cheryl Rosenfeld 介紹說,，雖然雌雄奄美裔鼠的性染色體完全相同,，但雄性奄美裔鼠被上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本比雌性多幾百個，也就是說雄性的轉(zhuǎn)錄本比雌性多,，這可能導(dǎo)致了它們的性別差異,。

這項研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄的差異可能是表觀遺傳的結(jié)果,。通俗來說,，如果將DNA看作是一張記錄著蛋白質(zhì)制造方法的藍(lán)圖，那么表觀遺傳就是在不改變這張藍(lán)圖的情況下,，有選擇地閱讀和使用藍(lán)圖里的設(shè)計圖紙的過程,。

他們發(fā)現(xiàn)，雄性奄美裔鼠的轉(zhuǎn)錄本大多表達(dá)的是鋅指蛋白的基因,。在普通哺乳動物中,，鋅指蛋白對基因表達(dá)的調(diào)控具有重要作用，它們好比是DNA藍(lán)圖的使用指南,，可以影響怎么讀取和使用DNA,，影響著細(xì)胞的分化，包括性別分化,。研究人員據(jù)此猜想,，雄性奄美裔鼠可能加大了鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄本的“火力”，以補償SRY基因的缺失,；而在缺乏某些鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄本的情況下,，雌性就能產(chǎn)生生殖腺和雌性腦。但是奄美裔鼠是如何做到這點的,，我們目前還不得而知,。

• 可以跨物種變性的奄美裔鼠

奄美裔鼠更厲害的一點是它們的干細(xì)胞可以跨物種變性。

在2017年發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上的一項研究中,，日本宮崎大學(xué)的Arata Honda和同事將一只雌性奄美裔鼠尾部的皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞（誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞）,。接著他們把這些干細(xì)胞注入一個不同的物種——實驗用小家鼠胚胎中,，然后把胚胎移植到母家鼠體內(nèi)。母家鼠最終誕下了13只嵌合體,，也就是體內(nèi)有奄美裔鼠細(xì)胞的家鼠,。

在這13只嵌合體成年后，研究者追蹤了來自母奄美裔鼠的iPS細(xì)胞在家鼠體內(nèi)的位置,。有趣的是,，不僅出現(xiàn)在雌性家鼠卵巢里的iPS細(xì)胞長成了未成熟的卵細(xì)胞，出現(xiàn)在雄性家鼠體內(nèi)的也轉(zhuǎn)變成了精子的前體細(xì)胞,。打個不恰當(dāng)?shù)谋确?，這就好比把人類的干細(xì)胞給了小黑猩猩以后，一些黑猩猩身體里長出了人類的卵子,，另一些長出了人類的精子,。如果這些人類的精子和卵子相遇會發(fā)生什么？——呃,，畫面太美不敢想,。

在此之前，研究者還從來沒有把雌性動物的干細(xì)胞變成成熟的精子,。對于普通家鼠,，如果把雌性的iPS細(xì)胞注入雄性胚胎體內(nèi)，這些細(xì)胞會很快死亡,。因此,，奄美裔鼠的這種跨物種靈活“變性”能力可謂非比尋常。

一般來說,，精子發(fā)生需要Y染色體上的SRY基因,，它可以產(chǎn)生DNA結(jié)合蛋白，最終導(dǎo)致睪丸的形成和睪酮激素的分泌,。睪酮可以刺激雄性哺乳動物生殖道其他部位的發(fā)育,，并讓大腦變得雄性化。而奄美裔鼠是沒有Y染色體的,，從而也就失去了SRY基因這個性別分化的重要開關(guān),，那么在這種情況下，奄美裔鼠的干細(xì)胞如何在其他物種體內(nèi)分化成生殖細(xì)胞呢,？到目前為止,，這個問題還是個謎。

• 沒有Y染色體的小老鼠們

同樣沒有Y染色體的鼴形田鼠（具有XX基因型）的性別決定機(jī)制也很有趣,。

2017年發(fā)表在 Genes 上的一項研究指出,，一些鼴形田鼠物種的Y染色體曾經(jīng)丟失過兩次，即它們在第一次丟失后曾經(jīng)重新獲得了新的Y染色體,，而這個新的Y染色體后來再度丟失,。不過在Y染色體丟失之前,，它們的一部分基因往往已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了X染色體上，且X染色體還獲得了1個或多個多見于Y染色體的Eif2s3y基因的拷貝,。

其實,，不僅裔鼠屬和鼴形田鼠屬的嚙齒動物可以放棄Y染色體直接開掛，連普普通通的小鼠都有“變性”的逆天本領(lǐng),。

2014年和2016年,，夏威夷大學(xué)的Yasuhiro Yamauchi 和同事發(fā)現(xiàn)，缺乏Y染色體的小鼠如果能夠過表達(dá)（某個基因產(chǎn)生大量目標(biāo)蛋白質(zhì)）Y染色體相關(guān)的基因,，或是過表達(dá)和精子發(fā)生有關(guān)的非Y染色體基因，也可以產(chǎn)生雄性的球形精子細(xì)胞（已經(jīng)完成減數(shù)分裂的單倍體精細(xì)胞）,。

除了上面這些讓Y染色體失去存在感的技能,，其他嚙齒動物還開發(fā)出了各種奇葩的性別分化和生殖方式。比如,，黑足旅鼠（Myopus schisticolor）和北極旅鼠（Dicrostonyx torquatus）在傳統(tǒng)的XX♀和XY♂之外,，還具有基因型為XY（一般是雄性旅鼠）的有生育能力的雌性。想想看,，如果人類具有這種能力,，那么女裝大佬親自生兒育女將不是夢。

遍布北美的爬行田鼠（Microtus oregoni）的雌性只有一條X染色體,，它們只能產(chǎn)生攜帶X的配子,。而它們的雄性的基因型雖然是XY，但卻只能產(chǎn)生Y配子或不含任何性染色體的配子（細(xì)胞分裂時染色體不分離）,。

了解了嚙齒動物們五彩斑斕的“性別認(rèn)同”世界后,，相信你會對這些貌不驚人的小動物們刮目相看。所以問題就來了,，嚙齒動物是哺乳動物中的奇葩嗎,，它們的Y染色體為什么可以經(jīng)常黑頭像下線呢？

科學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn)事情并不簡單,，這并不是嚙齒動物的問題,，而是Y染色體的通病。

嚙齒動物的Y染色體飄忽不定,，究其原因和Y染色體衰退脫不了干系,。澳大利亞國立大學(xué)的榮譽教授Jennifer Graves表示：“至少有兩類嚙齒動物已經(jīng)不靠Y染色體了。在實驗新的性染色體方面,，嚙齒動物領(lǐng)先于靈長動物,，人類不應(yīng)該沾沾自喜?！?/span>

要了解Y染色體為什么會衰退,，就要先了解它是怎么來的,。

關(guān)于性染色體是如何出現(xiàn)的，目前的主流學(xué)說認(rèn)為,，性染色體起源于一對同源常染色體（減數(shù)分裂時看到的兩兩配對的染色體）,，后來出現(xiàn)了性別決定的基因，這些決定性別的基因會和染色體上的特定位置連鎖,，最終演化出重組抑制,，也就是說X和Y染色體不重組，不像普通的同源染色體會互相交換一段胳膊一段腿,。

但是,，Y染色體會變得越變越小的命運在誕生之初似乎就被決定了，這個現(xiàn)象后來被命名為Y染色體衰退（Y chromosome degeneration）,。最早發(fā)現(xiàn)Y染色體衰退的是哥倫比亞大學(xué)的動物學(xué)家 Hermann Muller,。在1914年，他在研究果蠅的時候發(fā)現(xiàn)了Y染色體衰退的現(xiàn)象,。

1964年發(fā)表在Chromosoma上的一篇論文注意到,，蛇的性染色體的形態(tài)和異形染色體的演化有著對應(yīng)關(guān)系，這篇論文在學(xué)術(shù)界確立了Y染色體衰退的觀念,。后來有數(shù)不勝數(shù)的研究發(fā)現(xiàn),，在哺乳動物、果蠅,，還有一些植物的演化過程中,，Y染色體一直在縮小。其實和裔鼠以及鼴形田鼠類似,，不少生物的Y染色體已經(jīng)完全消失了,，比如大多數(shù)線蟲動物的基因型是XX或X0。而許多生物雖然有Y染色體,，卻不攜帶基因,。

Y染色體衰退的現(xiàn)象事實上也出現(xiàn)在人類身上。在上世紀(jì)六十年代,，醫(yī)生們就發(fā)現(xiàn),，隨著年齡的增長，白細(xì)胞里的Y染色體會逐漸丟失,。2019年年底,，劍橋大學(xué)的生物學(xué)家利用英國生物庫（UK BioBank）超過20萬例男性樣本的研究發(fā)現(xiàn)，大約有20%的人已經(jīng)丟失了部分Y染色體,。

有許多模型嘗試解釋Y染色體的衰退現(xiàn)象,。它們的共同觀點是，對于一個不發(fā)生重組的染色體來說，自然選擇的凈效率會顯著下降,。如果某個染色體能夠重組,，那么自然選擇會對不同突變分別對待；但是如果不存在重組,，那么自然選擇就會對整條染色體進(jìn)行水桶效應(yīng)式的操作——如果出現(xiàn)了一個有害突變,，整條染色體都會遭殃。最終,，Y染色體會累積有害突變,，有利突變則不容易在Y染色體上累積。

不過到目前為止,，Y染色體衰退的速率還是一個迷,。理論上，如果Y染色體的衰退速率保持恒定,，那么和年輕的Y染色體相比,，老一倍的Y染色體所含的基因應(yīng)該只剩一半?？墒怯胁簧偕锊⒉环线@個規(guī)律,。果蠅中的D. pseudoobscura 種的Y染色體是在1500萬年前形成的,，開始有3000多個基因,，但是現(xiàn)在依然還剩十幾個。黑腹果蠅（D. melanogaster）的Y染色體雖然也有6000萬年的歷史,，但是也還有十幾個基因剩著,。

Y染色體衰退速率的不確定性也引發(fā)了人類對于自身的擔(dān)憂：人類的Y染色體會消亡嗎？會在何時消亡呢,？

人類的X和Y染色體是在2-3億年前單孔目分離后出現(xiàn)的。人類的Y染色體是個矮子,，在23對染色體中,，其他22對的大小都相差無幾，但是只有Y染色體和X染色體相差巨大,。

人類的Y染色體（紅框）| 圖片來源：wikipedia

上世紀(jì)50年代的時候,，美國人類遺傳學(xué)會 (American Society of Human Genetics) 主席、基因?qū)W家Curt Stern做了一次報告,，在報告中他指出Y染色體攜帶的基因非常少,。和3億年前曾經(jīng)攜帶與X染色體共有的600個基因的盛況相比，如今的Y染色體上只有19個基因了,。

一些科學(xué)家認(rèn)為,，由于抗拒重組，人類的Y染色體遲早也是要涼涼的。上文提到的Graves就是這種觀點的支持者,。2002年,，Graves和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的R. John Aitken在《自然》上撰文指出，從早期的哺乳動物到靈長動物,，Y染色體一直在縮小,。他們預(yù)測，人類的Y染色體將在一千萬年內(nèi)絕跡,。

不過,，在理論悲觀的大背景下，出現(xiàn)了一些積極的證據(jù),。這個證據(jù)是對人類Y染色體衰退的一個有力駁斥,。大概在三千萬年前，恒河猴就和人類發(fā)生了分化,，但是恒河猴Y染色體上的基因卻和人類的差不多,，這意味著人類的Y染色體在過去三千萬年里基本保持著穩(wěn)定。

此外,，2014年發(fā)表在《自然》上的一項研究顯示,，Y染色體上有一些重要的基因，比如調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成以及基因活性的基因,，在心臟和血液等器官和組織里也有表達(dá),。這些重要的基因阻止了Y染色體進(jìn)一步變小。

所以,，小老鼠們會不會是人類演化的指南針呢,？大概只有時間才能給出答案了吧。

Abbott, Jessica K., Anna K. Nordén, and Bengt Hansson. "Sex chromosome evolution: historical insights and future perspectives." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 284.1854 (2017): 20162806.

Aitken, R. John, and Jennifer A. Marshall Graves. "Human spermatozoa: the future of sex." Nature 415.6875 (2002): 963.

Arakawa Y, Nishida-Umehara C, Matsuda Y, Sutou S, Suzuki H (2002). "X-chromosomal localization of mammalian Y-linked genes in two XO species of the Ryukyu spiny rat". Cytogenetic and Genome Research. 99 (1–4): 303–9.

Bachtrog, Doris. "Y-chromosome evolution: emerging insights into processes of Y-chromosome degeneration." Nature Reviews Genetics 14.2 (2013): 113.

Becak, Willy, et al. "Close karyological kinship between the reptilian suborder Serpentes and the class Aves." Chromosoma 15.5 (1964): 606-617.

Charlesworth B, Dempsey ND (April 2001). "A model of the evolution of the unusual sex chromosome system of Microtus oregoni". Heredity. 86 (Pt 4): 387–94.

Hoekstra HE, Edwards SV (September 2000). "Multiple origins of XY female mice (genus Akodon): phylogenetic and chromosomal evidence". Proceedings. Biological Sciences. 267 (1455): 1825–31. 

Honda, Arata, et al. "Flexible adaptation of male germ cells from female iPSCs of endangered Tokudaia osimensis." Science advances 3.5 (2017): e1602179.

Marchal JA, Acosta MJ, Bullejos M, Díaz de la Guardia R, Sánchez A (2003). "Sex chromosomes, sex determination, and sex-linked sequences in Microtidae". Cytogenetic and Genome Research. 101 (3–4): 266–73.

Matveevsky, Sergey, et al. "Chromosomal evolution in mole voles Ellobius (Cricetidae, Rodentia): Bizarre sex chromosomes, variable autosomes and meiosis." Genes 8.11 (2017): 306.

Muller, Hermann J. "A gene for the fourth chromosome of Drosophila." Journal of Experimental Zoology 17.3 (1914): 325-336.

Ortega, Madison T., et al. "Sexual dimorphism in brain transcriptomes of Amami spiny rats (Tokudaia osimensis): a rodent species where males lack the Y chromosome." BMC genomics 20.1 (2019): 87.

Ortiz MI, Pinna-Senn E, Dalmasso G, Lisanti JA (2009). "Chromosomal aspects and inheritance of the XY female condition in Akodon azarae (Rodentia, Sigmodontinae)". Mammalian Biology. 74 (2): 125–129.

Wilson MA, Makova KD (2009). "Genomic analyses of sex chromosome evolution". Annual Review of Genomics and Human Genetics. 10 (1): 333–54.

Yamauchi, Yasuhiro, et al. "Two Y genes can replace the entire Y chromosome for assisted reproduction in the mouse." Science 343.6166 (2014): 69-72.

Yamauchi, Yasuhiro, et al. "Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction." Science 351.6272 (2016): 514-516.

www.nytimes.com/2017/05/12/science/amami-spiny-rat-y-chromosome-male.html

www.nature.com/news/reprieve-for-men-y-chromosome-is-not-vanishing-1.15103