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关于人类染色体进化的争论

已有 13180 次阅读 2019-12-12 10:34 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记| 人类染色体, 23对与24对, 进化的争论

2012-08-26,在《豆瓣小组》,一位叫餍足(2stepsfromhell)的网友转载了一篇文章(见附录),然后提为什么不是少两对,少三对,或者多一对?而且还是第23对是用两对染色体焊接起来的,很玄妙吧?    

附录: 
  我们都知道,人类有23对染色体 ,但是这个结论直到上个世纪50年代才被确立,而此前的人们一直认为人类拥有24对染色体——这是个粗心且不负责任的研究结论。不过巧合的是,这个结论却正确地反映了其他类人猿 的染色体数目。人类约在500万年前还与黑猩猩是一家,是什么原因让人类祖先丢失了一对染色体,彻底与灵长类的同胞分道扬镳的呢? 
  消失的第24对染色体 
  人类没有24对染色体,其实是一件令人惊讶的事。我们的古猿祖先、现代的黑猩猩、大猩猩等猿类动物,对染色体的忠实拥趸,而只有人类是个例外,这可能是我们进而成为人的基因证据之一。

随着人类基因组计划的大功告成,研究人员描绘出了人类23对染色体的详细蓝本,并与黑猩猩染色体进行比较。在最新的分析中,美国华盛顿大学的科学家们发表的数据显示,人类第二大染色体——2号染色体是由古猿的两条染色体合并而来的。科学家早先就推测,人类2号染色体可能是古猿两条染色体合并而成的。在这次对2号染色体的详细分析中,科学家们发现了染色体融合的确凿证据:2号染色体上的某一位置,存在具有丝点特征的DNA编码重复现象,而着丝点 是染色体有丝分裂时的中心点,每条染色体只可能拥有一个着丝点。

科学家因此判断,这一位置是两条染色体融合前,其中一条染色体着丝点留下的残迹。但是,为什么古猿的两条染色体会突然之间融合成一条,如此大动作的进化行为在发生之初,又会对我们的祖先产生怎样剧烈的影响呢?

冒险的染色体改造

即便是基因工程飞速发展的今天,我们也很难想像某一个现有的物种,通过抛弃和融合染色体而摇身一变,成为一个极度适应环境的全新生物。而在百万年前的新生代,合理的假设是人类的祖先仅仅是为了更好地适应自然环境,竟然就实施了这个风险极高的行为!

人类先祖在过去500万年间的挣扎求生,可谓是一场惊心动魄的生命大冒险。人类细胞内线粒体的DNA可以探访女性先祖的起源,表明我们拥有一个共同的母亲,同样的结论也可以从男性Y染色体DNA突变上得出。这单一的祖先或许并不能说明突变只发生在一人身上,但是却让我们能够想像,在转变之初,生存的压力是多么巨大,以至于只留下这唯一的单支血脉。“亚当”与“夏娃”曾经生活在不怎么像“伊甸园”的干旱东非,并毅然决然地让人类彻底与其他猿类兄弟决裂,直接导致生殖隔离 ,成为一个全新的直立行走的无毛猿类。

先祖的大胆变化虽极不稳妥,不过,就像金融界常说的那样,高风险,高收益,我们的先祖通过这样的冒险,或者说是无可奈何的举措,以及此后许多大大小小的基因修改,才成就为现代人类,成为适应环境的物种中最为成功的一个。我们不得不佩服先祖的勇气,他们在经过了大量的尝试与失败,迈过种种瓶颈之后,终于达成所愿,呈现出现今的精彩。

可这样具有创新意义的改变究竟是如何引发,又是如何贯彻执行最终成功适应的呢?科学家们一直尝试着追溯远古的基因,如今,他们通过联合两个由古老基因进化而来的现代小鼠基因的关键蛋白,从而构建出5.3亿年前的一个远古基因。这一逆转过程让人们欣喜不已,分子水平上的进化发生初步有了眉目,而破解更大变化的人类2号染色体的融合事件,似乎也曙光乍现。

没有Y染色体的后人类物种

如今的生物体种类繁多,染色体的数目相差很大,显然生物染色体的融合与消失一直都在进行当中。因此,我们不禁要审视,人类现有的23对染色体中,会不会继续发生类似的事件,下一个不幸消失的染色体又会是谁呢?

科学家研究发现,人类男性的Y染色体很可能是下一个受害者。数百万年前,Y染色体上的基因还有大约1500个之多,而现在却总共只剩下40个。
  由于Y染色体是男性特有的,它不能与配对的染色体发生重组,也无法参照修正,在一代代的分裂复制过程中,大量的突变产生并积累下来,使一个个功能基因由于突变而被破坏。其实细胞内对于DNA复制时出现的错误,有着一套严格的矫正方案,但是为什么Y染色体依然“枯竭”下去,这谁也说不上来。但可以肯定的是,这个过程不会停止。由于Y染色体在持续不断地失去基因,使得人类男性处在了一个尴尬的境地,男人能来到世上就是多亏了这个Y染色体,而基因的不断消失,让男人会有整体灭绝的可能,至于女性的X染色体,不知为什么却未出现变化。 

科学家推测,如果Y染色体和男人一道完全消失的话,取而代之的将可能是另外一种更为完善的新人种,“人”这种生物经过再一次的冒险行为,又将成为一个全新的物种,我们可以称其为后现代人类。想像一下,那时的后现代人该是什么面貌,又会对整个物质世界产生怎样的影响呢?

一位名叫曼斯.雷德立马接腔:

“为了更好地适应自然环境,竟然就实施了这个风险极高的行为”。 
这种诠释很不成体统。虽然这篇文章的陈述的基本事实都是正确的。变异和进化都没有前瞻性,更不会算计,更不会去主动“实施”。 

染色体融合是变异的小概率事件。而且成功率(即变异体存活、繁殖下去而不是灭绝)很低。因为染色体融合和分裂,通常立即带来的不是好处,而是繁殖困难。变异的个体会跟非变异的个体交配,不同的染色体数目会带来受精卵的配对困难,以及减数分裂的困难。理论上来说这种情况一般都会导致变异在短短几代内灭绝,除非在极小概率的情况下,受精卵配对受到的干扰可以容忍,而且产生了某种优势,染色体融合的变异才能传播开来。

我们观察一下脊椎动物的进化树就很容易看出规律:越在进化树的上端,染色体数目通常越多。也就是说,染色体的数目通常是随着进化的时间方向增加的。增加的方式包括断裂和形成新染色体,这两种方式可以扩大基因组的容量,而又不太容易造成染色体配对、减数分裂的混乱(混乱的根源在于一条染色体上有两个着丝点)。因此从猿到人的2号染色体融合现象,真的是一个非常稀有和独特的现象。希望这个视角有助于理解为什么是一对,而不是两对,三对。在我们有生之年,如果发生一次大型小行星撞击地球,则我们可以认为是中了倒霉的大奖。但如果发生两次、三次,那一定是上帝或者外星人在作弊。

性染色体的问题则没有那么奇妙,原文作者的挖掘度不够。这个现象不仅仅在人类中存在,很多高等动物物种都存在。而且解释的理论也很丰富。性染色体是生物体内最不稳定的染色体对。X和Y染色体基因会互相攻击,在哺乳动物中,主要是X上的基因攻击Y染色体基因。为什么会这样,理论非常复杂,可以简单地这么讲:基因的本性就是把自己的繁殖(进入下一代体内)最大化。在XX(女性)中,一切都很和谐,但是在XY(男性)中就不是这样了。因为男性会产生只含Y的精子,在这个精子形成的后代中,一定没有这个男性体内的X上基因的席位(这句话挺绕,请仔细理解)。因此在这个XY男性体内的X染色体上,如果某些基因发生变异,抑制Y型精子的形成,或者抑制Y染色体上某些基因,则这些基因进入下一代的概率会提高。这种概率就决定了生命鼓励这种变异,鼓励X上的基因对Y上面的基因,乃至Y染色体本身施加各种化学杀手。唯一的例外是“男性化”基因,也就是人Y染色体上的SRY基因,这个基因绝不能被抑制,因为那会导致后代没有雄性,从物种角度来说也就灭绝了。但是SRY没有被抑制,也不是因为X上的杀手们有什么种族觉悟(记住,基因没有智力也没有前瞻性),而是SRY被这种压力逼得飞速进化。SRY的进化速度是基因平均速度的十倍还有多。而且全部人类的SRY基因序列有高度一致性,而不像其他基因那样有很多形态。这说明SRY不但变异飞快,导致杀手们的化学武器进化很难追上,而且远古时代变异得不够快的个体都被灭绝了。

这些不是臆测,而是有很多事实证据。在稍微简单一点的生物体内,染色体级别的两性战争更加明显和剧烈,比如某些果蝇染色体就有典型的性别杀手基因,此物一出会干掉所有的雄性精子,导致出生后代100%雌性。这类基因如果传播开来显然会导致物种灭绝。果蝇之所以没灭绝,是因为选择压力会马上选择出其他基因来抑制杀手基因。而各类型的杀手基因仍然会时不时冒出来,足可证明基因性别战争的欲望是多么强烈。

高等动物体内X染色体的攻击比较柔和(因为高等动物基因组的合作性更完备,不会允许“杀精”类型的基因变异得逞。但这也不是绝对的。一战前法国有一个充分记载的案例,一个家族以女性为传承,所有女性后代生的也100%是女性,多达5代100多人。这种数据已经排除了偶然性,从表象来看就是标准的性别杀手基因变异,可惜那时候的分子生物学不足以做基因分析)。

X和Y的战争导致了Y染色体上的SRY飞速进化和纯化,而Y上面的其他基因要么沉默,要么残缺,要么干脆迁移,变得越来越短,越来越不活跃。实际上,X和Y是从一对相同的常染色体开始的。我们从鸟类中已经发生的例子知道,当XY的战争发展到必然结果:Y被歼灭时,物种并不是灭绝了,而是另外选择一对常染色体来承载性别任务。我们的XY也就是这么开始的。

餍足 (2stepsfromhell)提出了反驳:我们观察一下脊椎动物的进化树就很容易看出规律:越在进化树的上端,染色体数目通常越多。也就是说,染色体的数目通常是随着进化的时间方向增加的。

鸠鸽 78家蚕 56普通果蝇 8几内亚猪 64蚯蚓 Octodrilus complanatus 36螺旋蜗牛 54家猫 38藏狐 36实验室的家鼠 40 家猪 38 44实验室的沟鼠 42野兔 46 叙利亚仓鼠 44大猩猩, 黑猩猩属 48人类 46大象 56绵羊 54 62 60 78 64金鱼 100~104翠鸟 132

因此从猿到人的2号染色体融合现象,真的是一个非常稀有和独特的现象。希望这个视角有助于理解为什么是一对,而不是两对,三对。在我们有生之年,如果发生一次大型小行星撞击地球,则我们可以认为是中了倒霉的大奖。但如果发生两次、三次,那一定是上帝或者外星人在作弊。

网上搜索,我发现《科学网博客》张磊的解答(2019-8-26):

第一个拥有46条染色体的人类祖先是怎么存活,并产生可育后代的?

染色体是由DNA和蛋白质组成的,它只是基因的载体。其实更重要的,还是染色体上面承载着的信息。只要存在着正确数量的遗传物质,这些遗传物质要如何排列组合,其实并没有想象中的重要。例如,在2018年,中国科学家就创造出了只拥有一条“16合1”染色体的酵母。

最常见的酿酒酵母,本来拥有16条染色体,但在科学家的设计和操作下,这16条染色体融合成了一条。尽管染色体的包装与三维结构都发现了大幅改变,但这种人造体酵母的基因总量与野生型酵母几乎无异,功能表达也完全正常。这再次显示了,染色体排列组合的重要性被高估了。

 

拥有一条“16合1”染色体的酵母

事实上,人类也发生过类似的染色体融合事件。科学家已经发现了,相对于猩猩,人类确实丢失了两条染色体。但这两条染色体上承载的基因,却没有丢失。那对丢失的染色体,其实是与另一对染色体融合在了一起——人类的第二大染色体,也即2号染色体,就是由两条染色体组合而来的。

 

人类女性染色体组

早在上世纪90年代,研究人员就发现黑猩猩的两条染色体,其带型可以大致拼接成人类的2号染色体了。所以黑猩猩这两条染色体也被称作  2A和2B染色体。而按长度排序,黑猩猩的2A和2B则为第12号和第13号染色体。迈入21世纪,基因测序等技术的发展也给出了决定性的证据。通过细致的基因测序与对比,科学家发现人类2号染色体和黑猩猩那未融合的染色体相匹配,证据确凿。别说对比,科学家甚至还能大致重构出人类2号染色体融合前的模样,以及它之后发生的变化。

 

人类染色体与黑猩猩染色体对比

事实上,这种染色体融合的现象,是非常常见的。染色体变异确实可能招致无法挽回的健康问题。而我们也几乎可以肯定,每一对染色体在减速分裂时都可能发生异常,多一条、少一条,缺一段,添一段的现象几乎每时每刻都在发生。但并非所有的染色体变异,都会带来严重后果。

例如,若是染色体近端着丝粒发生易位,那么后代就有可能为健康个体。这也叫做罗伯逊易位(Robertsonian translocation),分为平衡易位和不平衡易位。

 

  罗伯逊易位(杂合)示意图

其中的平衡易位,主要遗传物质并不会发生丢失。而绝大多数的罗伯逊易位都属于平衡易位,个体的智力和表现型都是正常的。在全人类中,大约就有千分之一的人为罗伯逊易位携带者(杂合子),即便只拥有45条染色体,但放在人堆里面根本看不来区别。一般来说,罗伯逊平衡易位携带者,都是到了备孕时才会发现自己的与众不同。

 

减数第一次分裂染色体分离过程

这与减数分裂有关,他们产生的配子中一般分为6种类型。其中,只有两种类型的配子,能与正常人的配子结合产生健康后代。

所以,通常会有2/3类型的配子,会在怀孕过程中夭折,以孕妇的极早期流产告终。事实上,很多人就是因为习惯性流产,才被检查出是平衡易位携带者的。

而他们产生的健康后代中,一般有(具体看易位发生在哪条染色体上)50%的概率其染色体数与常人一样,也有50%的概率仍为罗伯逊易位携带者,同样拥有45条染色体。

  

发生在21号和14号染色染色体中的罗伯逊易位,可能会发生的6种情况,其中三种无法存活,一种会导致唐氏综合征,两种健康型中有一种仍为罗伯逊易位携带者。

那么染色体,能否成对丢失而不影响健康?在我国就曾报道过这么一个罕见的案例,那是一位只拥有44条染色体的奇男子。他的14号染色体和15号染色体就融合在了一起,属于是罗伯逊易位的纯合子。但除了染色体数量不同外,他的生理指标都是完全正常的。这也意味着他的遗传物质总量是不变的,和普通人无异。

那他的44条染色体是怎么来的?原来他的父母,都是罗伯逊易位携带者,他们之前的关系为表亲,该名男子是父母近亲婚配所生。事实上,该名男子的母亲也曾经历过多次自然流产,而他的家族也有很普遍的流产史。

 

这对夫妇想生下该男子的36种结果,圈出的是该名奇男子的配型,划黑线的都是无法存活的个体

尽管染色体数目不同,但这名男子与正常人类也是没有生殖隔离的。只是他们生育的后代将会重蹈祖父母的覆辙,成为拥有45条染色体的罗伯逊平衡易位携带者,生育能力低下,极其容易发生流产。

那要怎么克服这一问题?尽管机会渺茫,但只要他遇到同样拥有44条染色体的女孩,这一染色体的排列方式就能稳定遗传下去。而从理论上来说,这名男子只要找到同类婚配,就可能成为一个新的人类亚种了。

是不是很神奇?但这种混沌状态在现有物种中也很常见。例如,亚洲水牛就有两个亚种,河流水牛染色体数目为50条,沼泽水牛染色体则为48条。原因是沼泽水牛的1号染色体,相当于河流水牛的4号和9号染色体融合易位形成的。他们的遗传物质也是相互对应、兼容的,只是两个亚种的杂交后代拥有49条染色体,生育能力低下。

 

两种亚洲水牛

再放眼到整个动物界,现存所有生物的染色体数目差异都是巨大的,而这些物种都能追溯到同一个祖先。所以说,从整个演化史的尺度来看,染色体数目变多或变少就更平常了。这样看来,人类祖先从48条染色体变成46条染色体就再普通不过了。  

说到这,可能有人就会想入非非了。那人类和黑猩猩属于近亲,还只差两条染色体能交配产生后代吗?

尽管没有人做过这种丧心病狂的试验,或者很久之前我们的祖先是可以的,但现代很可能是不可以的。人类的基因在过去已经发生了翻天覆地的变化,特别是黑猩猩的Y染色体与人类更是相去甚远。所以还是要回到那句,染色体这个容器没想象中那么重要,上面的基因才是重点。

最后,回到问题的最初,人类为什么要从48条染色体变成46条染色体?其实从打包方式来看,46条染色体并没有带来明显的优势,甚至可能造成繁育后代的困难。

但我们可以大胆猜测,这种染色体的融合,可能创造出了一些有优势的新基因。这也许能让我们的祖先受益,并通过自然选择得以传播开来。不过,目前还没发现证据支撑这一假说。

而另一种可能,就只能归结于运气了。在遗传学中就有个概念叫奠基者效应。从48到46,可能并没有产生什么有用的新基因。但刚好,这些变异成46条染色体的个体,都集中在了一个相对孤立的环境。

在那个年代,绝大多数的人类祖先都是48条染色体的。但因为各种极端的原因,或天灾或人祸,这所有的拥有48条染色体的人类都灭绝了,最后只剩下与世隔绝的46条染色体人类苟到了最后。再后来,这单一血脉也开枝散叶,遍布全球,所以才有了我们。

 

奠基者效应示意图

这确实是一件非常幸运的事,但也并非不可能发生,毕竟人类在过去就已经经历过无数次这种浩劫了。我们能活着,本身就幸运得让人难以置信。

参考文献

1  S. M. Gartler.The chromosome number in humans: a brief history.nature.2006

2  Creating a functional single-chromosome yeast.2018

3  Carl Zimmer.The Mystery of the Missing hromosome.Discover.2012.07.19

4  The 44 Chromosome Man?And What He Reveals About Our Genetic Past And What He Reveals About Our Genetic Past.2010.02.26

5  Ricki Lewis.Can a Quirky Chromosome Create a Second Human Species? PLOS Blogs,2016.01.21

6 Case Report:Potential Speciation in Humans Involving Robertsonian Translocations.2013

7  Zhao WW,Wu M,Chen F,Jiang S,Su H,Liang J,Deng C,Hu C,Yu S.Robertsonian translocations: an overview of 872 Robertsonian translocations identified in a diagnostic laboratory in China.PLOS One.2015



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