Y染色体?没它也照样能当爹
S.西尔维希耶 发表于 2016-02-01 18:01 临沂市中医医院男科刘永浩
男性和女性因何而不同？许多人会用性染色体的差异作为答案。在大多数哺乳动物中，雌性拥有两条X染色体，而雄性有一条X染色体和一条Y染色体。作为雄性的象征，这条短小的Y染色体有着怎样的功能，一直是生物学家们深感有趣的研究课题。
想要彻底回答“Y染色体有什么用”这个问题，就必须了解Y染色体上的基因。 当前的研究提示，Y染色体的基因在驱使胚胎朝雄性发育、令雄性个体产生正常生殖细胞方面发挥作用。但谁才是里面至关重要的基因？夏威夷大学的莫妮卡·沃德（Monika Ward）小组试图用一个简单直接的思路来找出答案：
把Y染色体基因一个个除掉，观察它对胚胎发育和生殖的影响。
莫妮卡·沃德（右一）和她 的研究团队。图片来源：Amanda Shell
早在2013年，沃德的团队就在《科学》上发表了令人吃惊的 论文结果 [1] ：他们将雄性生殖所需的Y染色体基因缩到了两个—— 只留下 Sry 和 Eif2s3y 两个Y染色体基因的雄性小鼠，也能够产生圆形精细胞（round spermatids），并在辅助生殖技术的帮助下产生健康后代。这两个基因中， Sry 负责使胎儿发育成雄性， Eif2s3y 则与精子发生相关。
还能不能再少？论文发表后，这个问题在许多人脑海中萦绕——这其中，也包括沃德和她的同事们：“在那之后，很自然的下一步便在于看看能不能把这些基因也替换掉。”沃德对科学人说。
那么，先换掉一个怎么样？
要把Y染色体上这俩基因剔掉，还想不耽误生孩子，自然就得找到别的基因来干它俩干的活。
Sry 基因在Y染色体上的任务之一是“唤醒”常染色体上一位名叫 Sox9 的同伴，使它将“让胚胎发育成雄性”的信号传达下去。“我们需要在 Sry 基因不存在的前提下，激活 Sox9 并完成性别决定。”沃德说。他们设法给 Sox9 基因换了个新的“唤醒者”。
“这项工作涉及大量的小鼠繁育工作。”沃德回忆说，在经过复杂的转基因小鼠繁育之后，他们最终得到了非常特别的小鼠——这些小鼠是雄性，却没有Y染色体，只有一套Eif2s3y基因被转到了X染色体上。
令人惊喜的是，这样的小鼠也能产生有功能的圆形精细胞（精子的前体细胞）。在圆形精细胞注射技术（ROSI）的帮助下，研究者成功让这些没有Y染色体的小鼠也当上了鼠爸爸。
研究者利用ROSI技术将圆形精细胞注射到卵母细胞当中。图片来源：Yasuhiro Yamauchi
“就这样，我们成功换掉了第一个基因。”沃德指出，在这些雄性小鼠的发育和生殖过程中，发挥作用的Y染色体基因只有 Eif2s3y 一个——除掉 Sry ，行得通。
换掉另一个行不行？
留着 Sry ，换掉 Eif2s3y 又怎样？这一次，沃德和同事碰上了棘手的状况。
Eif2s3y 的替代者并不难找：在X染色体上，有一个跟它长得很像的基因 Eif2s3x （注意名字最后一个字母的差别）。研究者试图让 Eif2s3x 取而代之，但却落了空——“我们用一个拷贝的 Eif2s3x 去代替 Eif2s3y ，发现行不通。”沃德告诉科学人，“我们能启动精子发生过程，但却完不成减数分裂。”原来， Eif2s3y 虽然和 Eif2s3x 长得类似，但工作效率还是Y染色体“原装”的更高些。
怎么办？沃德团队只能仔细摸索增加多少 Eif2s3x 才能抵上 Eif2s3y 的效果。“为了完成减数分裂，我们需要五倍表达量的Eif2s3x。”沃德说。进行大量的实验后，他们最终也得到了Y染色体基因中仅有 Sry 在发挥作用的雄性小鼠，并让它们同样可以在研究者帮助下繁育健康后代——至此，除掉 Eif2s3y ，也行得通了。
为了获得目标基因型的雄性小鼠而进行 的复杂 繁育工作。图A：Y染色体基因只保留 Eif2s3y 的雄性小鼠培育流程；图B：Y染色体基因只保留 Sry 的雄性小鼠培育流程。蓝色为雄性表型的小鼠；粉色为雌性表型的小鼠；黄色为目标基因型。图片来源：参考文献[2]
再见，Y染色体基因
最后，沃德团队尝试将Y染色体基因全体“扫地出门”。“我们进行了‘双重置换’，构建出了第一批完全没有任何Y染色体基因的雄性小鼠。”沃德说。
三只完全不含Y染色体基因的雄性小鼠。左一和右一的小鼠为2岁1个月大，中间的小鼠则1岁10个月大。图片来源：Yasuhiro Yamauchi
然而，48只这样的雄性小鼠中，有35只的睾丸都有缺陷，不能产生生殖细胞。所幸，剩下的13只雄性小鼠令人眼前一亮——“当我们第一次在这些雄性小鼠的睾丸中发现圆形精细胞时，整个实验室都兴奋坏了！”沃德告诉科学人。
他们将这些小鼠的精细胞注射到卵母细胞中，最终获得了9个健康的小鼠宝宝。“看着第一批鼠崽出生真是太高兴了。在那之后最开心的，便是重复实验时在低效的繁育过程中等待新小鼠的诞生。”她说。
最终，完全没有Y染色体基因的雄性小鼠们在研究者的帮助下繁殖到了子三代，子代都正常而健康。
没有任何Y染色体基因的雄性小鼠“四代同堂”。左一的白色小鼠是最初通过杂交繁育得到的无Y染色体基因雄鼠。它在ROSI技术的帮助下成功繁殖，上排中间的小鼠（F1 ROSI）是它的儿子，同样完全没有Y染色体基因。F2 ROSI、F3 ROSI则依次是白色小鼠的孙辈和曾孙辈。图片来源：参考文献[2]
至此，沃德的研究结果强有力地表明，就算把小鼠的Y染色体整个“干掉”，也能设法繁育雄性小鼠，使之产生有活性的精细胞并完成生殖。这一振奋人心的成果，近日被发表在《科学》杂志上 [2] 。
接下来要做什么？
“Y染色体上能被拿走的部分似乎不剩什么了，但这条染色体上要研究的地方还很多。”沃德说，“我们的长期目标在于破译Y染色体基因的功能，将它减至最少只是研究的方法之一。”
沃德表示，他们对精子形成过程中X-Y染色体的相互作用很感兴趣。此前有观点认为，Y染色体基因的功能在演化中逐渐缺损，而X染色体上基因对此予以补偿。“然而我们发现在 Eif2s3x-Eif2s3y 这对基因中， Eif2s3y 在精子形成中的作用更强。这一事实与目前的观点不符。接下来，我们重要的Y染色体基因在生殖中作用的分子机制，而 Eif2s3x-Eif2s3y 之间的关系将是重点之一。”
这些没有任何Y染色体基因、却仍能繁育后代的雄性小鼠，将为未来的生殖技术提供令人振奋的新思路。图片来源：Yasuhiro Yamauchi
最终，沃德希望他们能将自己的转基因方法进一步扩展，并与干细胞领域的突破结合起来。“我们很有兴趣看看能不能只用雌性产生后代。这可能应用到物种保护工作中。”沃德说，“如果我们有一天发现某个物种仅剩下一只雌性，从单一个体中同时建立雄性与雌性配子的技术也许将帮助它们免于灭绝。”
（编辑：Calo）
参考文献：
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Yasuhiro Yamauchi, Jonathan M. Riel, Zoia Stoytcheva, Monika A. Ward. Two Y Genes Can Replace the Entire Y Chromosome for Assisted Reproduction in the Mouse. (2013) Science DOI: 10.1126/science.1242544
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Yasuhiro Yamauchi, Jonathan M. Riel, Victor A. Ruthig, Eglė A. Ortega, Michael J. Mitchell, Monika A. Ward. Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction. Science DOI: 10.1126/science.aad1795
文章题图： Yasuhiro Yamauchi
