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X染色體在某個時刻進化得與其他染色體不同。
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你也許不知道你的一條染色體——X染色體——與其他染色體是完全不同的，并且它在過去十多年間一直困擾著科學(xué)家。在哺乳動物進化早期，我們現(xiàn)在熟知的X染色體與其他染色體是一樣的。但是不知何時，它進化成了不同的樣子。
不同于所有其他的染色體，女性體內(nèi)的兩條X染色體中的一條幾乎在所有細胞中都是沒有活性的。這條X染色體的突變率也非常低，最令人費解的是，在它上面發(fā)現(xiàn)的有活性的基因只存在于相對較少的組織中。我們最近的研究用交通作為類比，初步闡明了X染色體的生物學(xué)機制，該研究結(jié)果已發(fā)表于《PLOS Biology》雜志。
兩性的斗爭
人體的每個細胞一般都包含23對染色體，其中只有一對在男性和女性中是不同的，那就是性染色體。如果你在生物學(xué)上是一個女人，那么你遺傳了兩條分別來自于你父親和母親的X染色體；如果你在生物學(xué)上是一個男人，那么你遺傳了來自你母親的X染色體和來自你父親的Y染色體。
與所有其他的染色體一樣，X染色體上攜帶的基因也能表達蛋白，繼而產(chǎn)生可觀察到的性狀。這是通過轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)的，在轉(zhuǎn)錄的過程中，一條DNA的單鏈副本被復(fù)制出來，進而被解碼翻譯為蛋白質(zhì)?；蜻@樣被加工處理的過程稱為“被表達”。從本質(zhì)上來說，基因表達翻譯了儲存在DNA中的遺傳信息，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷男誀睢?/span>
在20世紀80年代，一項研究推測X染色體上的基因應(yīng)該是傾向于只在男性或女性的個體中開啟表達，從而產(chǎn)生了兩性間的差異。這能解釋女性和男性間存在的某些差異（該研究具體探索了大角羊的角在形狀和大小方面的差異）。而且當X染色體上出現(xiàn)新的突變時，在女性中產(chǎn)生的影響來自兩次選擇的結(jié)果，是在男性中產(chǎn)生影響的兩倍。因此一個對女性有利但對男性有害的突變還是會被保留下來。
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男性的46條染色體。女性不同于此的是，男性的Y染色體在女性中是X染色體。圖片來源：國家人類基因組研究所
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但是這實際上并沒有解釋為什么X染色體上的基因不像其他基因那樣在很多組織中都表達。我們發(fā)現(xiàn)在人類基因圖譜FANTOM5中，即使將在與性別相關(guān)的組織中（例如子宮、睪丸、卵巢）表達的基因從方程剔除后，這個趨勢依然存在。
我們的研究檢測了另一種可能性——要提高在X染色體上表達的基因的量是很難的，基因的表達還需要其他蛋白，這些蛋白被稱為轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子附著在基因周圍的DNA上，并行使類似于“開關(guān)”的功能。要提高基因的表達水平需要增加這些蛋白的量，因為轉(zhuǎn)錄因子能通過與相應(yīng)的基因結(jié)合來刺激基因表達。但是在男性的唯一一條X染色體中，這些蛋白只能結(jié)合一個位點而不是兩條X染色體的兩個位點；而在女性中，兩條X染色體中的一條是沒有活性的。
其他染色體上的類似基因如果需要快速表達，有兩個位點可以被同時激活。例如，在一些細胞中，我們需要血紅蛋白將更多的氧氣從呼吸器官運輸?shù)狡渌鞴?，這時，表達血紅蛋白的基因就會比任何其他組織或細胞中的其他基因的表達速率都要快。然而，X染色體就像是一條單行道，比起雙行道來，單行道在高峰期的時候只能承受較少的交通量，從而導(dǎo)致基因表達的“交通堵塞”。
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交通堵塞
我們猜測，當高峰期交通流量很大時，X染色體上的基因會出問題。而我們的統(tǒng)計分析結(jié)果也顯示，不出所料，X染色體上的高峰期交通流率還不到其他基因的一半。
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在交通堵塞的時候加速是很難的。圖片來源：美國人口統(tǒng)計局/維基百科
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此外，在進化過程中，從X染色體移動到其他染色體上的基因與向相反方向移動的基因是不同的：移動到X染色體上的基因比移動到其他染色體上的基因的表達峰值速率更低。在X染色體上表達度更高的基因比起其他基因來說，更難以在進化過程中增強表達水平。畢竟要想在交通堵塞的單行道上加速是很難的。
同樣，交通堵塞這個概念也解釋了X染色體上的基因為什么只在極少數(shù)組織中表達這個古老的秘密。很多組織中被表達的基因都是表達峰值速率非常高的基因。根據(jù)交通堵塞的模型，高度表達的基因并不能在X染色體上實現(xiàn)同等效率的表達，實際上，隨著X染色體的進化，大量高度表達的基因似乎脫離了X染色體。同理，在X染色體上也沒有發(fā)現(xiàn)有高表達峰值速率的組織特異性的基因。與X染色體相關(guān)的基因也不在具有高峰交通流率的組織中（比如具有高度分泌活性的組織如胰腺）表達。
這些研究結(jié)果表明，要想了解基因和染色體是如何進化的，我們也許需要更多地考慮基因和染色體一開始所處的物理環(huán)境所具有的局限性，而不是只從基因角度去研究不同生物性別上的差異。
這個研究也有一些實際應(yīng)用方面的意義。例如在基因治療方面，當我們試圖采用一個新基因來彌補突變體時，我們或許應(yīng)該盡可能地避免將新基因插入X染色體中，因為那樣會阻礙基因的正常表達。
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作者簡介：Laurence D. Hurst，巴斯大學(xué)米爾納進化中心進化遺傳學(xué)教授；Lukasz Huminiecki,（瑞典）烏普薩拉大學(xué)生物信息學(xué)家。Laurence D. Hurst的研究基金來自醫(yī)學(xué)研究委員會、生物技術(shù)及生物科學(xué)研究委員會和歐洲研究委員會。Lukasz Huminiecki的研究基金來自瑞典研究委員會。
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（翻譯：郭曉；審校：海帶絲）
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原文鏈接：
https://theconversation.com/why-is-the-x-chromosome-so-odd-traffic-analogy-helped-us-crack-the-mystery-51942
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文章轉(zhuǎn)自：環(huán)球科學(xué)
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