蝗虫，鱼，减数分裂，哺乳动物精子发生和基因进化

 作者水平有限，没有相关专业的基础，目前是还没上专业课的小萌新。欢迎大佬交流指正。

一．无性、有性与基因的演化

    

      《白垩纪侏罗纪公园》曰：“life finds way”上面这张图的神奇小蝗虫名为 Warramaba virgo  是一种生活在澳大利亚荒漠的昆虫，她们不同寻常的地方在于种群中没有雄性个体—卵直接发育为雌性。这群娘子军是由两个近缘物种杂交形成的，在杂交发生之后她们靠着克隆自己繁衍生息（当然其他的杂交成种后代也可有性，比如发生在鼠海豚中的杂交成种）。

  

       目前大多数较复杂的多细胞生物都采用了有性繁殖的一些解释认为有性生殖可以促进优良基因的整合、更快地排斥新生成的有害突变，对于复杂多变的环境有更强的适应能力等。无性繁殖既难以将新发的有利突变整合到一个个体中（每个有利突变同样需要独立突变产生，不能通过配子结合重组基因组），也难以排斥不断积累的有害突变（参考穆勒氏棘轮）。面对如此大的劣势，无性繁殖同样有自己的独特优越性，比如后代全能参与繁殖，无法繁育后代的雄性不会占据资源（），同时如果祖先物种可以反复NTR交配形成无性的新物种，无性种群也可以保持较高多样性。有时，杂交产生的物种也可以具有双亲的综合性状，对环境更加适应，占据有利地位----有时则会导致无法生存。

      然而，W. virgo并没有表现出更高的多样性或是优于双亲的特点——至少在温度耐受，代谢率，卵的数量和大小，孵化时间以及寿命上没有优势。研究人员研究了超过1500个分子标记却发现她们与亲本物种几乎没有差异----这就有点尴尬了。同时，研究人员还发现该物种形成时间在大约25万年前。这个物种似乎并没有受到无性繁殖带来的惩罚，在过去、现在与未来依旧生活在澳大利亚炽热的大地上。或许，不仅是无性繁殖的弊端塑造了性别，有性繁殖的防丢失机制或许同样是要关注的地方。

        鱼类体内的抗冻蛋白（AFP）是趋同演化的绝妙范例。不同类群的硬骨鱼面对相同的选择压受选择演化出了各种不同的抗冻蛋白。这些蛋白可以分为四个大类（而南极鱼体内具有抗冻糖蛋白AFGP，具体可分为八类），南极鱼类的AFGP由胰蛋白酶原进化来，而北极鱼类AFGP虽然在氨基酸层面与南极鱼很相似，但是二者碱基序列存在差异，并无演化关系。南极大头鳗鲡的AFPⅢ基因起源于唾液酸合成酶基因拷贝，而Ⅳ型AFP则可能由载脂蛋白进化来。Robert克隆狮子鱼AFPⅠ基因后认为其可能由绒毛蛋白和角质蛋白进化来。AFPⅡ则在不同类群中由不同水平同源C型凝集素进化来。

二.食、色、性，有溺而无还者也—减数分裂小考

     在种类繁多的脊椎动物中，哪些器官更可能产生新的基因呢？2011年，蛋白质组学和RNA-seq等技术进行研究找到了60个被认为是人类在于猿分化后从非编码DNA区从头起源的基因，而较多基因在大脑皮层和睾丸中表达。在这篇文章中，所有的新基因表达水平都很低，暗示其可能不具有关键功能。

     

正所谓失去人性失去很多，失去兽性失去一切。哺乳动物的睾丸一直在进行着快速进化，而我们并不清楚是怎样的分子机制使得睾丸具有很高的进化速率。想要探讨哺乳动物的睾丸，还要从精子发生过程开始。

       想要产生单倍体的配子，精原细胞需要进行减数分裂使得染色体数减半并且发生交叉互换对后代基因进行洗牌，交换是发生在第一次减数分裂，联会复合体的起始便发生在细线期。想要进行交叉互换，细胞需要发生程序性DNA双链断裂（DSB），DSB并非随机产生，DSB的发生和数量都受到严格调控（修复DSB也是一种负担），由此引起的交叉互换也是受到细胞精确调控的。DSB的位点是由组蛋白3甲基化（H3K4me3和H3K36me3）定位的染色质环热点区域标记的，通过DNA结合蛋白PRDM9和染色质重塑因子HELLS定位。

       

       在双线期末期，同源染色体会发生交叉互换，交换模式（存在、数量和定位）受到严格控制，并表现出性别二体性。染色体轴长度在调节交换模式中起着重要作用。女性的染色体轴比男性长，因此能产生更多的DSB和交换事件。DSB热点的使用在男性和女性中也有所不同，男性交换更多集中于亚端粒区域。正常交换遵循三个原则：强制交换确保每对同源染色体至少形成一个交换；交叉干扰确保交换事件在染色体上均匀分布；交叉稳态确保交换数的稳定性。在人类中，男性的交换干扰更强，这在一定程度上解释了交换分布中的性别二体性。

      在偶线期向双线期转换时，细胞会通过联会检验点对染色体联会是否正常进行检验。未正常联会的染色体会吸引相关蛋白质聚集，从而产生非联会染色质的减数分裂沉默（meiotic silencing of unsynapsed chromatin , MSUC）,MSUC被激活时，减数分裂相关的基因会沉默，生殖细胞会发生凋亡，防止联会异常产生染色体变异。

      对精原细胞而言存在一种MSUC的变体，减数分裂性染色体失活（meiotic sex chromosome inactivation , MSCI）,与致死性的MSUC不同，MSCI发生于正常的雄性精子的减数分裂过程中—XY染色体只有部分可以发生联会（PAR区），而未联会染色体区域存在“粗线期致死基因”，这些基因表达会导致细胞停滞在粗线期并凋亡，在减数分裂中不能联会的部分通过引发MSCI使得未联会部分基因发生沉默，影响多种基因表达，导致性染色体浓缩形成XY小体。大部分MSCI通过识别组蛋白变体γH2AX招募蛋白，诱导H3K9me3促进异染色质形成和基因沉默。若是MSCI异常则与粗线期中期的完全减数分裂停滞和精母细胞清除有关。（DSB的修复由pre-rRNA参与）

      并非所有基因都会受到MSCI抑制，不同于发生在女性的XIST，25%-30%的 X 连锁染色体结构基因并不会被抑制，例如许多mi-RNA 并不会受到MSCI影响，并且在减数分裂中仍发生作用。此外，精子发生中并不只有MSCI一种沉默染色体基因的机制，后减数分裂性染色体（postmeiotic sex chromatin , PMSC）。下图是将72种X连锁miRNA分为三种。Ⅰ型miRNA（10个）受到MSCI和PMSC的抑制；Ⅱ型（16个）在B型精原细胞中表达下调，在一到多种初级精母细胞中表达上升，并在后减数分裂的精细胞中表达下调。表明其逃避MSCI而被PMSC抑制；Ⅲ型（46个）相对于精原细胞在初级精母细胞中表达上调，并且直到圆形精细胞阶段都有高表达（up-regulated）。研究还发现并没有被MISC抑制而逃避PMSC抑制的例子。

        

        哺乳动物的性染色体剂量补偿机制，在真兽亚纲中是与MSCI类似的独特的基因抑制方式。在对小鼠的研究中，表达XIST基因会导致相应的X染色体失活，并且XIST基因会发生印记表达，父系染色体（Xp）在4-8细胞器会发生印记表达失活（X染色体失活的Xp优先机制） ，在滋养外胚层阶段仍保持失活，在囊胚的内细胞团中父系染色体失活被逆转，之后外胚层细胞中两条染色体随机发生失活。但XIST基因即有物种特异性，例如兔和人中的XIST同源基因不发生印记，XCI比小鼠晚，胚胎内层细胞团中两条X染色体中XIST均大量表达，而兔的两条X染色体均失活，人外胚层阶段Xist大量表达，但并未启动失活，且人和兔的XIST均发生在Xist大量表达之后。也并非实现父系X染色体及其基因失活的唯一机制。与真兽亚纲不同的是，后兽亚纲中巴氏小体由一种抑制性组蛋白介导的失活机制，而单孔目不具有巴氏小体但是存在MSCI。

       在精子形成的后期阶段，鱼精蛋白会替换掉精子染色体上的组蛋白，从而使染色质发生凝缩。然而，研究发现，在鱼精蛋白替换组蛋白时，染色质会在组蛋白失去的空窗期变得开放，产生广泛的转录（这种宽松的转录环境也支持中性学说）。并且由于精子细胞特殊的单倍体存在形式，会导致对突变进行有效的选择。这就引出了对新基因形成的单倍体选择（haploid selection）假说。

      BTW还有一种说法认为是精原细胞会经常表达各种基因，通过转录扫描机制清除有害突变。虽然两篇文献互相说自己是对的另一个假说是错的，但我觉得吧......

     虽然精子细胞之间存在细胞质桥可以共享RNA等物质，从而在整体上仍类似二倍体，但是细胞质桥的存在并不足以影响单倍体选择。另外，睾丸细胞的新基因常常出现在常染色体而非性染色体——XY性别决定的雄性即使是体细胞内性染色体也是以类似单倍体状态存在的，类似单倍体选择的压力始终存在于性染色体上（这也使X连锁突变有更高的固定率，特别是在突变对雄性有利的情况下），使得在精子发生时单倍体选择对常染色体的影响更大

     

     在如此多变、活跃的减数分裂过程中，哺乳动物睾丸基因是如何被塑造的呢？

三.

野兽の银梦—哺乳动物睾丸快速进化的分子机制

   

        

         睾丸是哺乳动物进化速率最快的器官（并且根据本文结论，早期精子发生细胞和体细胞具有的与大脑细胞相似类型的创新和约束制约，而大脑被认为是一类在分子水平上进化缓慢的器官，我不懂，而且大为震撼），睾丸在形态与基因层面均具有非常高的进化速率。为了探讨哺乳动物精子发生过程中的分子进化。研究团队选取了代表原兽（鸭嘴兽）、后兽（负鼠）、真兽（啮齿类与灵长类，灵长总目）三个类群的动物，对灵长类尤其是现存的猿类进行了取样，并以红原鸡（家鸡的野生祖先）作为外类群，对这些动物睾丸细胞获取转录组数据进行了聚类分析。

下图即为实验动物的snRNA分析。

      通过进行物种成对比较，可以发现羊膜动物后减数分裂细胞存在快速表达进化，并且基因表达的差异随着进化时间的增加而增加。有趣的是，尽管早已分化，人类与鸭嘴兽的差异和与鸟类的差异似乎很接近，这与之前对整个器官的观察一起，支持了在细胞层面核心精子发生功能的保守限制了转录组分化的观点。

      研究者认为自然选择的两种非互斥的模式可以解释这一观察结果。首先，精子发生的后期阶段可能在较弱的纯化选择（即功能限制减少）下进化，因此更易改变。其次，后期阶段的更大分歧可能是由于更强的正选择，增加了适应性变化的固定率。随着人类生精阶段的进行，突变耐受性逐渐增加（之前的PLI指数变化），从减数分裂开始，并在早期精子发生中达到高潮（后期虽然略有降低但是仍然较高）。同样的，在对小鼠的敲除实验中，在精子发生过程与致死性相关的表达基因的百分比降低。此外，与后期生精阶段的功能约束逐渐减少一致，研究人员发现在晚期精子发生中，灵长类动物编码序列中氨基酸改变取代的标准化率更高，尽管这种增加可能还反映了正选择下基因的比例更高。对编码受正向选择塑造的蛋白质序列的基因的时间表达模式的检查显示，在精子发生过程中受到正选择的基因的百分比显着增加，在rSD达到峰值。

        由于新基因也有助于进化创新，研究者使用了将基因的系统发育年龄与其表达相结合的指数，发现转录组在精子发生过程中变得更年轻（大多数生殖相关基因还是很保守的，可以看到整体比较高），表明新基因在后期阶段的作用越来越突出，特别是在rSD中，与先前的观察结果一致。根据之前的铺垫，我们已知在精子发生过程中发现了转录允许的染色质环境，特别是在rSD中，这被认为促进了进化过程中新基因的出现。在所有物种中均检测到减数分裂后基因间隔区转录本的贡献显着增加，并且伴随蛋白质编码基因的转录本贡献减少。值得注意的是，对翻译组数据的分析揭示了所有物种在精子发生过程中转录本的翻译效率下降（在rSD中达到最小值）。这种下降与小鼠大量数据对有限数量的细胞类型的观察结果一致。并且可能减轻基因组广泛转录并发的功能后果。

       跨组织和发育过程的表达广度（此处称为表达多效性）被认为是选择下允许的突变类型的关键决定因素。因此，研究者使用几种哺乳动物器官的时空转录组数据评估了精子发生过程中表达多效性的模式，发现精子发生后期使用的基因，特别是rSD中的基因，比精子发生和体细胞早期使用的基因具有更具体的时空特征（更加专门化，多样性约束更小）。鉴于表达多效性的降低可以解释功能约束的减少和适应的增加，研究者认为它可能是晚期精子发生快速分子进化的主要贡献者。此外，作用于单倍体细胞的特定类型的选择（单倍体选择），其中表达的等位基因直接暴露于选择，可能有助于rSD的异常快速进化。

      注意，功能约束(Functional Constraint)与功能重要性(Functional Importance)不完全等同。功能约束指的是发生在对应基因上的突变中产生有害效果的比例。产生的有害突变比例越高，对应基因的功能约束越大。功能重要性则代表了对应基因敲除后对生物适合度的影响大小。功能约束的大小可以反映基因的进化速率。

       虽然组织和时间特异性的晚期精子发生基因通常对生存不是必需的，研究者认为，特定的上述进化力量表明许多这些基因在精子发生中进化出关键作用。事实上，与不孕症相关的基因比例在SC和精子细胞（尤其是rSD）中相对较高：高于SG和体细胞。

       

           研究者首先对比了X连锁基因和常染色体基因的细胞类型特异性，发现真兽类很多（12%-60%）具有明显表达的X连锁基因集中于SG期，并包括具有关键生精功能的保守基因。灵长类动物数据显示，X染色体也富含细线期SC表达的基因，鉴于细线期基因组的全局转录沉默，可能反映了SG的转录本残留。并且观察到细线期SC中表达的大多数X连锁基因也在分化的SG中表达。在负鼠和鸭嘴兽X染色体上也检测到具有SG特异性表达的基因的富集，暗示这是哺乳动物的共有模式。

        在真兽亚纲中检测到X转录本丰度在减数分裂粗线期大幅下降，这体现了MSCI的发生。对Y转录本的分析提供了一致的结果。先前的工作没有发现单孔目MSCI的证据，暗示MSCI起源于从单孔目谱系分离后的祖先。研究者重新审视了在鸭嘴兽中性分化区域（SDR）与假常染色体区域（PAR）的详细定义，后者在单孔目性染色体中很大。并且提出存在来自大型PAR的表达信号，在PAR区预计会发生联会不受MSUC影响，这类信号可能会阻止先前研究中MSCI的检测。

        事实上，虽然所有鸭嘴兽X连锁基因的联合分析仅显示粗线期周围的表达量下降很小，但仅对SDR基因的分析显示X转录本水平的强烈降低。相比之下，PAR基因在精子发生过程中表现出稳定的表达水平。MSCI导致的SDR和PAR之间的转录本丰度差异对于所有五个鸭嘴兽X染色体都是可见的。并且鸭嘴兽MSCI与其他几乎没有或没有MSCI逃逸的物种一样完整。MSCI在单孔目SDR中的存在与粗线期带有核仁周围抑制性组蛋白修饰的鸭嘴兽性染色体部分联系一致。这表明，MSCI是所有哺乳动物性染色体系统共有的，是哺乳动物的祖先特征。而鸟类中目前未报道过MSCI，这使得MSUC的进化起源不能确定。（而无脊椎动物的MSUC机制是在演化早期独立起源的）

        后期精子发生过程驱动了睾丸的快速进化，精子竞争、多效性约束的减弱、开放的染色质环境、潜在的单倍体选择（雄性异配的核型使性染色体基因始终受到类似单倍体选择的效应）都是其驱动因素。事实上，还有一个有趣的问题，研究中发现X连锁基因收到了雄性的强大选择，而Y染色体不应该是雄性特异性基因建立连锁的高发地点吗？考虑到两性拮抗，对于雄性特异基因而言建立与X染色体的连锁有利于防止雌性有利基因固定于X染色体。在这里单倍体选择同样发挥了重要作用，对性别比例乃至性染色体进化都产生了重要影响。