您可能沒有意識到這一點，但您的一條染色體--X染色體 - 與其他染色體有很大不同，并且十多年來一直為科學家們提出了一個難題。在哺乳動物進化史早期，現(xiàn)在的X染色體就像我們其他染色體一樣。但在某些時候它演變?yōu)椴煌?/p>

與所有其他染色體不同，女性的兩條X染色體中的一條在幾乎所有細胞中都被滅活。它也具有極低的突變率，并且 - 最令人困惑的是 - 在其上發(fā)現(xiàn)的基因在我們相對較少的組織中是活躍的?，F(xiàn)在，我們最近在PLOS Biology上發(fā)表的一項研究已經(jīng)開始通過使用交通類比來闡明正在發(fā)生的事情。

兩性之戰(zhàn)

在人類中，每個細胞通常包含23對染色體。只有其中一對 - 性染色體 - 在男性和女性中不同。如果你是生物學上的女性，你從父親那里繼承了一條X染色體，從母親那里繼承了一條X染色體。如果你是生物學上的男人，你從母親那里繼承了一個，從父親那里繼承了Y染色體。

像所有其他染色體一樣，X染色體帶有用于產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因，這些蛋白質(zhì)可以產(chǎn)生可觀察到的特征。這通過轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生，其中制備DNA的單鏈拷貝，然后將其解碼成蛋白質(zhì)。當像這樣處理基因時，據(jù)說它是“表達的”?；旧?，基因表達解釋了存儲在DNA中的遺傳信息，將其轉(zhuǎn)化為特征。

在20世紀80年代，一項研究預(yù)測 X染色體上的基因應(yīng)該易于進化，只能在兩性中的一種中進行，使它們不同。這可以解釋女性和男性之間的某些生理差異(該研究專門研究了大角羊角的大小和形狀的差異)。當新的突變發(fā)生在X染色體上時，它們對女性的影響的選擇頻率是男性的兩倍。因此，一種對女性有益但對男性有害的突變?nèi)匀淮嬖凇?/p>

但這并沒有真正解釋為什么X染色體上的基因不像其他基因那樣在多少組織中表達。觀察FANTOM5的人類基因圖譜，我們發(fā)現(xiàn)即使在性別特異性組織(如子宮，睪丸，卵巢)中表達的基因被排除在等式之外，這種趨勢也是正確的。

我們的研究測試了另一種可能性 - 認為很難增加基因在X染色體上表達的量。為了表達基因，我們需要其他蛋白質(zhì)，稱為轉(zhuǎn)錄因子。這些蛋白質(zhì)粘附在基因附近的DNA上，其功能類似于“開關(guān)”。為了增加表達，需要增加通過與該基因結(jié)合來刺激表達的這些蛋白質(zhì)的量。但是在男性的染色體上，這些蛋白質(zhì)只能結(jié)合一個位點而不是兩個位點。在女性中，其中一個已經(jīng)停用。

對于我們其他染色體上的類似基因，如果需要快速表達，則有兩個位點可以并行激活。例如，在我們需要血紅蛋白從呼吸器官攜帶更多氧氣到其他器官的細胞中，產(chǎn)生它的基因可以比任何其他組織或細胞中的任何其他基因更高的速率表達。然而，X染色體就像一條單車道的道路，在高峰時段比雙車道道路上的交通量更少 - 導致基因表達交通擁堵。

交通擁堵

我們預(yù)計，當峰值流量率很高時，X染色體上的基因就會出現(xiàn)問題。我們的統(tǒng)計分析顯示，正如預(yù)期的那樣，X染色體上的峰值交通流量低于其他基因的一半。

此外，在進化時間內(nèi)從X移動到另一條染色體的基因和那些已經(jīng)走向另一條染色體的基因是不同的：移動到X染色體上的基因具有低得多的峰值表達率，使得那些進行反向旅行。并且X染色體上表達的基因越高，其進化時間內(nèi)的表達水平就越低于其他基因。當您遇到單車道交通擁堵時，很難加速。

同樣的交通擁堵理念也解釋了為什么X染色體上的基因在少數(shù)組織中表達的古老謎團。在許多組織中表達的基因傾向于具有非常高的峰值表達率的基因。根據(jù)交通堵塞模型，真正高度表達的基因不能在X染色體上發(fā)揮作用，事實上，隨著X染色體的進化，這些基因似乎遠離X染色體。同樣，組織特異性基因具有很高的在X染色體上未發(fā)現(xiàn)峰值表達。與非常高的峰值交通流量相關(guān)的組織 - 例如具有非?；钴S的分泌的組織，例如我們的胰腺 - 也是其中X連鎖基因傾向于不表達的組織。

這些結(jié)果表明，為了理解我們的基因和染色體是如何進化的，我們可能需要更多地考慮它們生活在起點的物理系統(tǒng)的簡單限制，而不是僅僅研究生物性別差異的遺傳基礎(chǔ)。本研究還有一些實際應(yīng)用。例如，當涉及基因治療時，我們?nèi)斯ひ胄掳姹镜幕蛞匝a償突變版本，如果可能的話，我們應(yīng)該避免將其插入X染色體，因為它可能會妨礙正確表達。