?作者水平有限，沒有相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)，目前是還沒上專業(yè)課的小萌新。歡迎大佬交流指正。

一．無性、有性與基因的演化

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? ? ? 《白堊紀(jì)侏羅紀(jì)公園》曰：“life finds way”上面這張圖的神奇小蝗蟲名為 Warramaba?virgo ?是一種生活在澳大利亞荒漠的昆蟲，她們不同尋常的地方在于種群中沒有雄性個體—卵直接發(fā)育為雌性。這群娘子軍是由兩個近緣物種雜交形成的，在雜交發(fā)生之后她們靠著克隆自己繁衍生息（當(dāng)然其他的雜交成種后代也可有性，比如發(fā)生在鼠海豚中的雜交成種）。

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? ? ? ?目前大多數(shù)較復(fù)雜的多細(xì)胞生物都采用了有性繁殖的一些解釋認(rèn)為有性生殖可以促進(jìn)優(yōu)良基因的整合、更快地排斥新生成的有害突變，對于復(fù)雜多變的環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力等。無性繁殖既難以將新發(fā)的有利突變整合到一個個體中（每個有利突變同樣需要獨(dú)立突變產(chǎn)生，不能通過配子結(jié)合重組基因組），也難以排斥不斷積累的有害突變（參考穆勒氏棘輪）。面對如此大的劣勢，無性繁殖同樣有自己的獨(dú)特優(yōu)越性，比如后代全能參與繁殖，無法繁育后代的雄性不會占據(jù)資源（），同時如果祖先物種可以反復(fù)NTR交配形成無性的新物種，無性種群也可以保持較高多樣性。有時，雜交產(chǎn)生的物種也可以具有雙親的綜合性狀，對環(huán)境更加適應(yīng)，占據(jù)有利地位----有時則會導(dǎo)致無法生存。

? ? ??然而，W. virgo并沒有表現(xiàn)出更高的多樣性或是優(yōu)于雙親的特點——至少在溫度耐受，代謝率，卵的數(shù)量和大小，孵化時間以及壽命上沒有優(yōu)勢。研究人員研究了超過1500個分子標(biāo)記卻發(fā)現(xiàn)她們與親本物種幾乎沒有差異----這就有點尷尬了。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)該物種形成時間在大約25萬年前。這個物種似乎并沒有受到無性繁殖帶來的懲罰，在過去、現(xiàn)在與未來依舊生活在澳大利亞熾熱的大地上。或許，不僅是無性繁殖的弊端塑造了性別，有性繁殖的防丟失機(jī)制或許同樣是要關(guān)注的地方。

? ? ? ??魚類體內(nèi)的抗凍蛋白（AFP）是趨同演化的絕妙范例。不同類群的硬骨魚面對相同的選擇壓受選擇演化出了各種不同的抗凍蛋白。這些蛋白可以分為四個大類（而南極魚體內(nèi)具有抗凍糖蛋白AFGP，具體可分為八類），南極魚類的AFGP由胰蛋白酶原進(jìn)化來，而北極魚類AFGP雖然在氨基酸層面與南極魚很相似，但是二者堿基序列存在差異，并無演化關(guān)系。南極大頭鰻鱺的AFPⅢ基因起源于唾液酸合成酶基因拷貝，而Ⅳ型AFP則可能由載脂蛋白進(jìn)化來。Robert克隆獅子魚AFPⅠ基因后認(rèn)為其可能由絨毛蛋白和角質(zhì)蛋白進(jìn)化來。AFPⅡ則在不同類群中由不同水平同源C型凝集素進(jìn)化來。

二.食、色、性，有溺而無還者也—減數(shù)分裂小考

? ? ?在種類繁多的脊椎動物中，哪些器官更可能產(chǎn)生新的基因呢？2011年，蛋白質(zhì)組學(xué)和RNA-seq等技術(shù)進(jìn)行研究找到了60個被認(rèn)為是人類在于猿分化后從非編碼DNA區(qū)從頭起源的基因，而較多基因在大腦皮層和睪丸中表達(dá)。在這篇文章中，所有的新基因表達(dá)水平都很低，暗示其可能不具有關(guān)鍵功能。

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正所謂失去人性失去很多，失去獸性失去一切。哺乳動物的睪丸一直在進(jìn)行著快速進(jìn)化，而我們并不清楚是怎樣的分子機(jī)制使得睪丸具有很高的進(jìn)化速率。想要探討哺乳動物的睪丸，還要從精子發(fā)生過程開始。

? ? ? ?想要產(chǎn)生單倍體的配子，精原細(xì)胞需要進(jìn)行減數(shù)分裂使得染色體數(shù)減半并且發(fā)生交叉互換對后代基因進(jìn)行洗牌，交換是發(fā)生在第一次減數(shù)分裂，聯(lián)會復(fù)合體的起始便發(fā)生在細(xì)線期。想要進(jìn)行交叉互換，細(xì)胞需要發(fā)生程序性DNA雙鏈斷裂（DSB），DSB并非隨機(jī)產(chǎn)生，DSB的發(fā)生和數(shù)量都受到嚴(yán)格調(diào)控（修復(fù)DSB也是一種負(fù)擔(dān)），由此引起的交叉互換也是受到細(xì)胞精確調(diào)控的。DSB的位點是由組蛋白3甲基化（H3K4me3和H3K36me3）定位的染色質(zhì)環(huán)熱點區(qū)域標(biāo)記的，通過DNA結(jié)合蛋白PRDM9和染色質(zhì)重塑因子HELLS定位。

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? ? ? ?在雙線期末期，同源染色體會發(fā)生交叉互換，交換模式（存在、數(shù)量和定位）受到嚴(yán)格控制，并表現(xiàn)出性別二體性。染色體軸長度在調(diào)節(jié)交換模式中起著重要作用。女性的染色體軸比男性長，因此能產(chǎn)生更多的DSB和交換事件。DSB熱點的使用在男性和女性中也有所不同，男性交換更多集中于亞端粒區(qū)域。正常交換遵循三個原則：強(qiáng)制交換確保每對同源染色體至少形成一個交換；交叉干擾確保交換事件在染色體上均勻分布；交叉穩(wěn)態(tài)確保交換數(shù)的穩(wěn)定性。在人類中，男性的交換干擾更強(qiáng)，這在一定程度上解釋了交換分布中的性別二體性。

??????在偶線期向雙線期轉(zhuǎn)換時，細(xì)胞會通過聯(lián)會檢驗點對染色體聯(lián)會是否正常進(jìn)行檢驗。未正常聯(lián)會的染色體會吸引相關(guān)蛋白質(zhì)聚集，從而產(chǎn)生非聯(lián)會染色質(zhì)的減數(shù)分裂沉默（meiotic silencing of unsynapsed chromatin , MSUC）,MSUC被激活時，減數(shù)分裂相關(guān)的基因會沉默，生殖細(xì)胞會發(fā)生凋亡，防止聯(lián)會異常產(chǎn)生染色體變異。

??????對精原細(xì)胞而言存在一種MSUC的變體，減數(shù)分裂性染色體失活（meiotic sex chromosome inactivation , MSCI）,與致死性的MSUC不同，MSCI發(fā)生于正常的雄性精子的減數(shù)分裂過程中—XY染色體只有部分可以發(fā)生聯(lián)會（PAR區(qū)），而未聯(lián)會染色體區(qū)域存在“粗線期致死基因”，這些基因表達(dá)會導(dǎo)致細(xì)胞停滯在粗線期并凋亡，在減數(shù)分裂中不能聯(lián)會的部分通過引發(fā)MSCI使得未聯(lián)會部分基因發(fā)生沉默，影響多種基因表達(dá)，導(dǎo)致性染色體濃縮形成XY小體。大部分MSCI通過識別組蛋白變體γH2AX招募蛋白，誘導(dǎo)H3K9me3促進(jìn)異染色質(zhì)形成和基因沉默。若是MSCI異常則與粗線期中期的完全減數(shù)分裂停滯和精母細(xì)胞清除有關(guān)。（DSB的修復(fù)由pre-rRNA參與）

??????并非所有基因都會受到MSCI抑制，不同于發(fā)生在女性的XIST，25%-30%的 X 連鎖染色體結(jié)構(gòu)基因并不會被抑制，例如許多mi-RNA 并不會受到MSCI影響，并且在減數(shù)分裂中仍發(fā)生作用。此外，精子發(fā)生中并不只有MSCI一種沉默染色體基因的機(jī)制，后減數(shù)分裂性染色體（postmeiotic sex chromatin , PMSC）。下圖是將72種X連鎖miRNA分為三種。Ⅰ型miRNA（10個）受到MSCI和PMSC的抑制；Ⅱ型（16個）在B型精原細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，在一到多種初級精母細(xì)胞中表達(dá)上升，并在后減數(shù)分裂的精細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)。表明其逃避MSCI而被PMSC抑制；Ⅲ型（46個）相對于精原細(xì)胞在初級精母細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)，并且直到圓形精細(xì)胞階段都有高表達(dá)（up-regulated）。研究還發(fā)現(xiàn)并沒有被MISC抑制而逃避PMSC抑制的例子。

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? ? ? ??哺乳動物的性染色體劑量補(bǔ)償機(jī)制，在真獸亞綱中是與MSCI類似的獨(dú)特的基因抑制方式。在對小鼠的研究中，表達(dá)XIST基因會導(dǎo)致相應(yīng)的X染色體失活，并且XIST基因會發(fā)生印記表達(dá)，父系染色體（Xp）在4-8細(xì)胞器會發(fā)生印記表達(dá)失活（X染色體失活的Xp優(yōu)先機(jī)制）?，在滋養(yǎng)外胚層階段仍保持失活，在囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中父系染色體失活被逆轉(zhuǎn)，之后外胚層細(xì)胞中兩條染色體隨機(jī)發(fā)生失活。但XIST基因即有物種特異性，例如兔和人中的XIST同源基因不發(fā)生印記，XCI比小鼠晚，胚胎內(nèi)層細(xì)胞團(tuán)中兩條X染色體中XIST均大量表達(dá)，而兔的兩條X染色體均失活，人外胚層階段Xist大量表達(dá)，但并未啟動失活，且人和兔的XIST均發(fā)生在Xist大量表達(dá)之后。也并非實現(xiàn)父系X染色體及其基因失活的唯一機(jī)制。與真獸亞綱不同的是，后獸亞綱中巴氏小體由一種抑制性組蛋白介導(dǎo)的失活機(jī)制，而單孔目不具有巴氏小體但是存在MSCI。

? ? ? ?在精子形成的后期階段，魚精蛋白會替換掉精子染色體上的組蛋白，從而使染色質(zhì)發(fā)生凝縮。然而，研究發(fā)現(xiàn)，在魚精蛋白替換組蛋白時，染色質(zhì)會在組蛋白失去的空窗期變得開放，產(chǎn)生廣泛的轉(zhuǎn)錄（這種寬松的轉(zhuǎn)錄環(huán)境也支持中性學(xué)說）。并且由于精子細(xì)胞特殊的單倍體存在形式，會導(dǎo)致對突變進(jìn)行有效的選擇。這就引出了對新基因形成的單倍體選擇（haploid selection）假說。

? ? ? BTW還有一種說法認(rèn)為是精原細(xì)胞會經(jīng)常表達(dá)各種基因，通過轉(zhuǎn)錄掃描機(jī)制清除有害突變。雖然兩篇文獻(xiàn)互相說自己是對的另一個假說是錯的，但我覺得吧......

?????雖然精子細(xì)胞之間存在細(xì)胞質(zhì)橋可以共享RNA等物質(zhì)，從而在整體上仍類似二倍體，但是細(xì)胞質(zhì)橋的存在并不足以影響單倍體選擇。另外，睪丸細(xì)胞的新基因常常出現(xiàn)在常染色體而非性染色體——XY性別決定的雄性即使是體細(xì)胞內(nèi)性染色體也是以類似單倍體狀態(tài)存在的，類似單倍體選擇的壓力始終存在于性染色體上（這也使X連鎖突變有更高的固定率，特別是在突變對雄性有利的情況下），使得在精子發(fā)生時單倍體選擇對常染色體的影響更大

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? ? ?在如此多變、活躍的減數(shù)分裂過程中，哺乳動物睪丸基因是如何被塑造的呢？

三.

野獸の銀夢—哺乳動物睪丸快速進(jìn)化的分子機(jī)制

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? ? ? ? ?睪丸是哺乳動物進(jìn)化速率最快的器官（并且根據(jù)本文結(jié)論，早期精子發(fā)生細(xì)胞和體細(xì)胞具有的與大腦細(xì)胞相似類型的創(chuàng)新和約束制約，而大腦被認(rèn)為是一類在分子水平上進(jìn)化緩慢的器官，我不懂，而且大為震撼），睪丸在形態(tài)與基因?qū)用婢哂蟹浅８叩倪M(jìn)化速率。為了探討哺乳動物精子發(fā)生過程中的分子進(jìn)化。研究團(tuán)隊選取了代表原獸（鴨嘴獸）、后獸（負(fù)鼠）、真獸（嚙齒類與靈長類，靈長總目）三個類群的動物，對靈長類尤其是現(xiàn)存的猿類進(jìn)行了取樣，并以紅原雞（家雞的野生祖先）作為外類群，對這些動物睪丸細(xì)胞獲取轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類分析。

下圖即為實驗動物的snRNA分析。

? ? ? 通過進(jìn)行物種成對比較，可以發(fā)現(xiàn)羊膜動物后減數(shù)分裂細(xì)胞存在快速表達(dá)進(jìn)化，并且基因表達(dá)的差異隨著進(jìn)化時間的增加而增加。有趣的是，盡管早已分化，人類與鴨嘴獸的差異和與鳥類的差異似乎很接近，這與之前對整個器官的觀察一起，支持了在細(xì)胞層面核心精子發(fā)生功能的保守限制了轉(zhuǎn)錄組分化的觀點。

??????研究者認(rèn)為自然選擇的兩種非互斥的模式可以解釋這一觀察結(jié)果。首先，精子發(fā)生的后期階段可能在較弱的純化選擇（即功能限制減少）下進(jìn)化，因此更易改變。其次，后期階段的更大分歧可能是由于更強(qiáng)的正選擇，增加了適應(yīng)性變化的固定率。隨著人類生精階段的進(jìn)行，突變耐受性逐漸增加（之前的PLI指數(shù)變化），從減數(shù)分裂開始，并在早期精子發(fā)生中達(dá)到高潮（后期雖然略有降低但是仍然較高）。同樣的，在對小鼠的敲除實驗中，在精子發(fā)生過程與致死性相關(guān)的表達(dá)基因的百分比降低。此外，與后期生精階段的功能約束逐漸減少一致，研究人員發(fā)現(xiàn)在晚期精子發(fā)生中，靈長類動物編碼序列中氨基酸改變?nèi)〈臉?biāo)準(zhǔn)化率更高，盡管這種增加可能還反映了正選擇下基因的比例更高。對編碼受正向選擇塑造的蛋白質(zhì)序列的基因的時間表達(dá)模式的檢查顯示，在精子發(fā)生過程中受到正選擇的基因的百分比顯著增加，在rSD達(dá)到峰值。

? ? ? ? 由于新基因也有助于進(jìn)化創(chuàng)新，研究者使用了將基因的系統(tǒng)發(fā)育年齡與其表達(dá)相結(jié)合的指數(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組在精子發(fā)生過程中變得更年輕（大多數(shù)生殖相關(guān)基因還是很保守的，可以看到整體比較高），表明新基因在后期階段的作用越來越突出，特別是在rSD中，與先前的觀察結(jié)果一致。根據(jù)之前的鋪墊，我們已知在精子發(fā)生過程中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄允許的染色質(zhì)環(huán)境，特別是在rSD中，這被認(rèn)為促進(jìn)了進(jìn)化過程中新基因的出現(xiàn)。在所有物種中均檢測到減數(shù)分裂后基因間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄本的貢獻(xiàn)顯著增加，并且伴隨蛋白質(zhì)編碼基因的轉(zhuǎn)錄本貢獻(xiàn)減少。值得注意的是，對翻譯組數(shù)據(jù)的分析揭示了所有物種在精子發(fā)生過程中轉(zhuǎn)錄本的翻譯效率下降（在rSD中達(dá)到最小值）。這種下降與小鼠大量數(shù)據(jù)對有限數(shù)量的細(xì)胞類型的觀察結(jié)果一致。并且可能減輕基因組廣泛轉(zhuǎn)錄并發(fā)的功能后果。

? ? ? ?跨組織和發(fā)育過程的表達(dá)廣度（此處稱為表達(dá)多效性）被認(rèn)為是選擇下允許的突變類型的關(guān)鍵決定因素。因此，研究者使用幾種哺乳動物器官的時空轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)評估了精子發(fā)生過程中表達(dá)多效性的模式，發(fā)現(xiàn)精子發(fā)生后期使用的基因，特別是rSD中的基因，比精子發(fā)生和體細(xì)胞早期使用的基因具有更具體的時空特征（更加專門化，多樣性約束更?。?。鑒于表達(dá)多效性的降低可以解釋功能約束的減少和適應(yīng)的增加，研究者認(rèn)為它可能是晚期精子發(fā)生快速分子進(jìn)化的主要貢獻(xiàn)者。此外，作用于單倍體細(xì)胞的特定類型的選擇（單倍體選擇），其中表達(dá)的等位基因直接暴露于選擇，可能有助于rSD的異?？焖龠M(jìn)化。

? ? ? 注意，功能約束(Functional Constraint)與功能重要性(Functional Importance)不完全等同。功能約束指的是發(fā)生在對應(yīng)基因上的突變中產(chǎn)生有害效果的比例。產(chǎn)生的有害突變比例越高，對應(yīng)基因的功能約束越大。功能重要性則代表了對應(yīng)基因敲除后對生物適合度的影響大小。功能約束的大小可以反映基因的進(jìn)化速率。

? ? ? ?雖然組織和時間特異性的晚期精子發(fā)生基因通常對生存不是必需的，研究者認(rèn)為，特定的上述進(jìn)化力量表明許多這些基因在精子發(fā)生中進(jìn)化出關(guān)鍵作用。事實上，與不孕癥相關(guān)的基因比例在SC和精子細(xì)胞（尤其是rSD）中相對較高：高于SG和體細(xì)胞。

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? ? ? ? ? ?研究者首先對比了X連鎖基因和常染色體基因的細(xì)胞類型特異性，發(fā)現(xiàn)真獸類很多（12%-60%）具有明顯表達(dá)的X連鎖基因集中于SG期，并包括具有關(guān)鍵生精功能的保守基因。靈長類動物數(shù)據(jù)顯示，X染色體也富含細(xì)線期SC表達(dá)的基因，鑒于細(xì)線期基因組的全局轉(zhuǎn)錄沉默，可能反映了SG的轉(zhuǎn)錄本殘留。并且觀察到細(xì)線期SC中表達(dá)的大多數(shù)X連鎖基因也在分化的SG中表達(dá)。在負(fù)鼠和鴨嘴獸X染色體上也檢測到具有SG特異性表達(dá)的基因的富集，暗示這是哺乳動物的共有模式。

? ? ? ? 在真獸亞綱中檢測到X轉(zhuǎn)錄本豐度在減數(shù)分裂粗線期大幅下降，這體現(xiàn)了MSCI的發(fā)生。對Y轉(zhuǎn)錄本的分析提供了一致的結(jié)果。先前的工作沒有發(fā)現(xiàn)單孔目MSCI的證據(jù)，暗示MSCI起源于從單孔目譜系分離后的祖先。研究者重新審視了在鴨嘴獸中性分化區(qū)域（SDR）與假常染色體區(qū)域（PAR）的詳細(xì)定義，后者在單孔目性染色體中很大。并且提出存在來自大型PAR的表達(dá)信號，在PAR區(qū)預(yù)計會發(fā)生聯(lián)會不受MSUC影響，這類信號可能會阻止先前研究中MSCI的檢測。

? ? ? ? 事實上，雖然所有鴨嘴獸X連鎖基因的聯(lián)合分析僅顯示粗線期周圍的表達(dá)量下降很小，但僅對SDR基因的分析顯示X轉(zhuǎn)錄本水平的強(qiáng)烈降低。相比之下，PAR基因在精子發(fā)生過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的表達(dá)水平。MSCI導(dǎo)致的SDR和PAR之間的轉(zhuǎn)錄本豐度差異對于所有五個鴨嘴獸X染色體都是可見的。并且鴨嘴獸MSCI與其他幾乎沒有或沒有MSCI逃逸的物種一樣完整。MSCI在單孔目SDR中的存在與粗線期帶有核仁周圍抑制性組蛋白修飾的鴨嘴獸性染色體部分聯(lián)系一致。這表明，MSCI是所有哺乳動物性染色體系統(tǒng)共有的，是哺乳動物的祖先特征。而鳥類中目前未報道過MSCI，這使得MSUC的進(jìn)化起源不能確定。（而無脊椎動物的MSUC機(jī)制是在演化早期獨(dú)立起源的）

? ? ? ??后期精子發(fā)生過程驅(qū)動了睪丸的快速進(jìn)化，精子競爭、多效性約束的減弱、開放的染色質(zhì)環(huán)境、潛在的單倍體選擇（雄性異配的核型使性染色體基因始終受到類似單倍體選擇的效應(yīng)）都是其驅(qū)動因素。事實上，還有一個有趣的問題，研究中發(fā)現(xiàn)X連鎖基因收到了雄性的強(qiáng)大選擇，而Y染色體不應(yīng)該是雄性特異性基因建立連鎖的高發(fā)地點嗎？考慮到兩性拮抗，對于雄性特異基因而言建立與X染色體的連鎖有利于防止雌性有利基因固定于X染色體。在這里單倍體選擇同樣發(fā)揮了重要作用，對性別比例乃至性染色體進(jìn)化都產(chǎn)生了重要影響。

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