男性和女性在生物过程中的根本差异

新南威尔士大学悉尼分校的研究人员在鸭嘴兽和鸡身上发现了性染色体剂量补偿的新机制，挑战了之前的假设，并为物种间的遗传调控提供了新的见解。

　　

一项新的研究表明，鸭嘴兽和鸡通过一种独特的剂量补偿机制来平衡两性之间的蛋白质水平，这与人类不同，挑战了长期存在的遗传假设，增强了我们对遗传进化和调控的理解。

悉尼新南威尔士大学的研究人员通过检查鸭嘴兽和鸡独特而多样的性染色体系统，发现了雄性和雌性在生物过程中的根本差异。

该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，是遗传学领域的一个惊喜。这些发现将有助于更好地理解性染色体是如何进化的，我们的身体是如何运作的——它们可能会导致生物学上的新发现。

“哺乳动物，比如人类，雌性有两条X染色体，雄性有一条X染色体和一条Y染色体，这造成了两性之间的不平衡，”新南威尔士大学生物技术和生物分子科学学院的首席作者Nicholas Lister博士说。“这种不平衡通过一种叫做性染色体剂量补偿的过程得到纠正。”

科学家们早就知道，动物有办法平衡性别染色体差异，实现“正常”功能。

Lister博士说:“在雌性哺乳动物中，比如人类和鼠，XX雌性和XY雄性的X染色体数量不同。为了平衡这种差异，女性的一条X染色体通常是沉默的。在女性中沉默一条X染色体使性染色体上的基因产物相等。这可以防止雌性从X染色体中产生的蛋白质数量是雄性的两倍。”

平衡天平

我们体内的每个细胞都使用蛋白质来执行特定的功能。

“它们是由信使RNA翻译而来的，信使RNA携带着细胞制造蛋白质的指令，”该研究的负责人、同样来自新南威尔士大学生物技术和生物分子科学学院的副教授Paul Waters说。“男性或女性会影响X染色体基因的mRNA水平，我们预计这会影响蛋白质的产生。”

这项研究首次证明，即使在mRNA水平不平衡的情况下，两性之间也存在蛋白质平衡。

Paul Waters说:“研究结果表明，在性染色体分化的物种中，剂量补偿是确保蛋白质水平平衡的关键过程。这些结果很重要，因为它们表明性染色体的剂量补偿毕竟是必不可少的——对所有脊椎动物物种都是如此，而不仅仅是胎盘和有袋类哺乳动物。”

为什么是鸭嘴兽和鸡?

这项研究的重点是鸭嘴兽和鸡，这两个物种的性染色体系统截然不同，为研究剂量补偿的进化和机制提供了有价值的见解。

“鸭嘴兽是单目哺乳动物，具有有趣的性染色体系统，”Lister博士说。“雌性有5对X染色体，雄性有5对X染色体和5对y染色体。鸟类——比如鸡——有一个ZW系统，雄性有两个Z染色体，雌性有一个Z染色体和一个W染色体。”

科学家们已经在胎盘类和有袋类哺乳动物中观察到雄性和雌性之间近乎完美的性染色体剂量补偿。

“然而，在鸟类和单孔目动物中，两性之间的mRNA存在不平衡，”Paul Waters说。“这是我们认为不可能的事情。我们首次证明这种不平衡在蛋白质水平上得到了纠正。这意味着鸭嘴兽和鸡有一种新的剂量补偿机制，与我们人类不同。”

我们的基因真的在控制吗?

来自拉特罗布大学环境与遗传学系的合著者Jenny Graves教授早在1986年就证明了人类X染色体上不活跃的基因不会被复制成RNA。

RNA水平的沉默随后成为所有表观遗传沉默的范例。

Graves教授说:“由于基因无法产生RNA，所以剂量补偿的控制被认为只在RNA水平上，而不是在制造蛋白质的水平上。但是鸭嘴兽和鸡的性染色体基因的mRNA水平是不平衡的，”她说。“因此，科学家们质疑剂量补偿对生命至关重要的假设。”

由于技术上的挑战，测量蛋白质水平比测量mRNA水平要棘手得多。

“现在这项技术更加敏感，我们可以看到雄性和雌性之间性染色体的剂量补偿在鸭嘴兽和鸡的蛋白质水平上被观察到。”Paul Waters说。“这些物种的雄性和雌性产生的蛋白质数量相似，尽管mRNA的数量存在差异。”

如何应用这些知识?

作者强调遗传调控的复杂性和考虑基因表达的多个水平控制的重要性。

来自新南威尔士大学生物医学科学学院的合著者Shafagh Waters博士说，这项研究为更深入地理解基因调控铺平了道路。她说:“研究像鸭嘴兽这样的独特物种，为我们提供了对细胞和分子机制的新见解，这些机制可以调节人类生理的各个方面，或者与疾病状态有关因此，虽然这些过程可能不直接适用于人类剂量补偿，但它们阐明了我们的身体如何管理基因表达和蛋白质生产。我们的发现有可能推进进化生物学的知识，并导致医学遗传学的创新疗法。了解不同物种之间的这些机制可以帮助确定蛋白质功能障碍是关键的疾病的新靶点。”

Lister博士说，未来的研究将会检查剂量补偿的机制。“这项工作将帮助我们发现自然界中的其他剂量补偿系统，”Lister说。“我们可以找出这些是如何进化的，以及它们如何在其他物种中起作用。”

Waters说:“了解其他物种的这些过程可以从根本上加强我们对基因调控的掌握。”

Incomplete transcriptional dosage compensation of chicken and platypus sex chromosomes is balanced by post-transcriptional compensation” by Nicholas C. Lister, Ashley M. Milton, Hardip R. Patel, Shafagh A. Waters, Benjamin J. Hanrahan, Kim L. McIntyre, Alexandra M. Livernois, William B. Horspool, Lee Kian Wee, Alessa R. Ringel, Stefan Mundlos, Michael I. Robson, Linda Shearwin-Whyatt, Frank Grützner, Jennifer A. Marshall Graves, Aurora Ruiz-Herrera and Paul D. Waters, 29 July 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.