Science丨性别决定用XY还是ZW？张国捷施鹏团队联合揭示性染色体走向XY还是ZW的演化规律

当遗传性别决定系统形成时，为什么有些动物演化出雄性异配的 XY 系统，另一些却走向雌性异配的 ZW 系统？这种分化究竟源于偶然，还是 存在特定的规律 ？浙江大学生命演化研究中心张国捷教授团队联合中国科学院昆明动物研究所施鹏研究员团队及国内外合作者，以性别决定方式高度多样的壁虎为研究对象发现，性染色体走向XY还是ZW并非完全随机：一个染色体区域在成为性染色体之前所具有的基因组成，会影响性染色体系统的演化方向。研究进一步提出了“环境触发、定向招募、渐进分化和演化稳定”的性染色体“四步”演化模型。相关成果以 Genomic predisposition is associated with the direction of sex chromosome evolution 为题发表于 Science 杂志 。

动物的性别决定方式十分多样。一些物种由温度等环境条件决定性别，另一些则依赖遗传机制。在人类等哺乳动物的 XY 系统中，女性通常为 XX 、男性为 XY ；鸟类则采用 ZW 系统，雄性为 ZZ 、雌性为 ZW 。尽管 我们很早 就知道两类系统可以在不同动物中独立形成，但新的性染色体采样 XY 还是 ZW 是否存在规律，一直未有答案。

壁虎为破解这一问题提供了天然的 “ 演化实验场 ” 。这一类群有同时存在温度依赖型、 XY 型和 ZW 型性别决定， 既有刚分化的同形态 性染色体也有古老的高度分化的异形性染色体。研究团队挑选了22个代表性壁虎物种进行研究，这些物种覆盖了目前已知壁虎70%的独立性染色体起源事件。

结果显示， 这些 壁虎的性染色体并非继承自一套古老而统一的祖先 染色体 。研究推测，壁虎 的 共同祖先具有 38 条染色体，很可能采用环境依赖型性别决定。此后，不同支系反复从多条祖先常染色体中独立招募 其中一对或者多对形成 新的性染色体。 20 种遗传性别决 定壁虎中的 22 套性染色体系统， 分别 来自 17 条不同的祖先染色体。即使不同支系招募了同一条祖先染色体，其真正停止重组并产生性别差异的区域也往往并不相同。这说明壁虎的性染色体曾在不同谱系中被多次独立 “ 发明 ” ，而非主要通过既有性染色体的频繁更换形成。

这些独立起源并非在时间上均匀发生。研究估算， 大部分 壁虎性染色体的年龄约为 590 万年至 5445 万年；在 11 次可以可靠定年的起源事件中，有 5 次集中于约 700 万至 1200 万年前，平均约 955 万年前。这一时间窗口 内地球整处在 中新世中期气候转变期，当时全球经历明显降温、干旱化和栖息地破碎化。系统发育约束下的模拟支持这种时间聚集并非随机。研究据此 推导 ，剧烈的环境波动可能降低温度信号决定性别的可靠性，从而对温度依赖型系统形成选择压力，促使多个壁虎支系转向较稳定的遗传性别决定。

研究团队进一步尝试寻找 XY 和 ZW 两套性染色体系统的演化规律。通过 比较性别决定区域及其在其他壁虎中仍作为常染色体存在的同源区域，借此推断这些区域成为性染色体之前的 基因 表达特征。结果显示，富集睾丸偏好性表达基因的区域更倾向于演化为 Z 染色体，最终形成 ZW 系统；睾丸偏好性表达基因相对较少的区域，则更倾向于演化为 X 染色体，形成 XY 系统。换言之，性染色体未来走向XY还是ZW，可能在它被招募之前便已埋下伏笔。也即如果祖先染色体富含睾丸高表达的基因，这个基因一旦形成性染色体，更可能成为ZW系统。

研究团队随后将分析扩展 至主要 脊椎动物谱系的 39 个物种，涵盖羊膜动物中的 15 次和非羊膜动物中的 24 次独立性染色体起源。上述关联在哺乳动物、鸟类和爬行动物等羊膜动物中得到支持，但在两栖动物和鱼类中较弱或未被观察到。这表明祖先基因组成可能是影响羊膜动物性染色体演化方向的一种 “ 基因组预设 ” 。研究团队提出了可能的解释是，羊膜动物普遍采用体内受精方式，交配后的性选择压力更强，从而提高了睾丸相关基因在演化过程中的重要性；相比之下，两栖动物和鱼类通常采用体外受精，并产生大量配子，可能缓解此类选择压力，也使得性染色体演化方向受到的限制更少。

基于上述发现，研究团队提出性染色体“四步”演化模型：首先，剧烈环境变化可能动摇温度依赖型性别决定，推动遗传性别决定形成；其次，祖先染色体原有的基因组成使其带有走向 XY 或 ZW 的倾向；再次，被招募的染色体通过重组抑制逐渐分化为 X 与 Y ，或 Z 与 W ；最后， Y 、 W 染色体持续退化，并与剂量平衡机制共同建立稳定的演化约束，使新系统得以长期维持。研究还发现，多种壁虎通过提高异配性别中性连锁基因的表达，实现不同程度的部分剂量平衡。

这一研究将古气候环境、祖先基因组特征和性染色体长期分化过程纳入同一框架，把相关研究从描述“性染色体有多么多样”，推进到解释“它们为何在特定时间出现，又为何走向XY或ZW”。研究表明，脊椎动物丰富的性别决定方式并非演化过程中毫无规律的偶然产物，而可能是环境压力与基因组内在条件共同作用的结果。

原文链接：https://doi.org/10.1126/ science.aec3449

制版人： 十一

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