?04232014-Nature-Article-Y-chromosome
Comments’title: The vital Y chromosome
評論題目：重要的Y染色體
Comments’abstract 對不同哺乳動物Y染色體序列的比較發現在染色體進化過程中Y染色體上大量基因丟失，而現存物種Y染色體上的基因具有非常強的穩定性。
（評論正文）
一般認為哺乳動物中決定性別的X和Y染色體從原初染色體的進化是從Y染色體迅速的基因丟失開始的。這種迅速變性的觀點已經得到支持的事實是果蠅中發現新的Y染色體或Y染色體的片段。本期Nature由Bellott等人和Cortez等人在Y染色體的基因進化方面展示了大量的觀察結果。他們發現雖然在Y染色體早期進化過程中存在一個迅速變性基因丟失的階段，但在現存的哺乳動物（以及由W染色體決定性別的鳥類）Y染色體上保守的基因具有驚人的穩定性。研究人員所展示的數據還為作用在性別染色體上的進化的力量展示出一幅詳細的畫面，并為這些物種中與Y染色體連鎖基因的功能一致性給出了合理的解釋。
在遺傳學和分子生物學方面Y染色體都是一個不那么容易被研究的染色體。雖然事實上早期全基因組測序項目包括男性基因組，但由于從Y染色體上獲得數據的困難性，Y染色體基本上被忽略掉，Y染色體的結構特征為多重復性序列和回文序列。Bellott等人采用了一種以前描述過的方法—將DNA上感興趣的部分克隆到細菌性人工染色體上—來獲得并組裝來自四種胎盤哺乳動物的Y染色體DNA序列（大鼠、小鼠、公牛和小猿(marmoset)）還有袋鼴（marsupialopossum）。他們將這些動物的Y染色體序列與另外三種胎盤動物（恒河猴，黑猩猩和人）進行了比較。在作者們推測為三億年前原始性染色體上的184個基因中，他們發現只有3%的基因保留在一種或一種以上的哺乳動物中（圖1）。

Figure 1 | Small butstable.?Thehuman Y chromosome (right) is much smaller than the X chromosome (left), as aresult of extensive degeneration early in Y-chromosome evolution. However, comparisonswith other mammalian Y chromosomes by Bellott?et al.and Cortez?et al.show that there has been remarkable gene stabilityacross Y chromosomes following this initial gene loss.

圖1 很小但很穩定。人的Y染色體（右側）要比X染色體（左側）小很多，這是Y染色體進化過程中早期大量變性反應的結果。然而與其它哺乳動物的Y染色體相比較，Bellott等人以及Cortez等人顯示在這種起始性的基因丟失作用發生后，整個Y染色體上的基因變得異常穩定。
與以前報道的結果相一致，這一結果意味著在哺乳動物Y染色體的歷史中早期確實發生了大量的變性反應及基因丟失。然而一旦基因經歷過這種考驗后，那些幸存下來的基因在Y染色體上變得異常穩定。作者們還發現他們所檢測的所有八個物種中在X和Y染色體上都存在的36個基因在過去的兩千五百萬年里都保持穩定存在的狀態。他們發現在塔馬沙袋鼠（tammarwallaby）、袋獾（Tasmaniandevil）和負鼠（opossum）的Y染色體上有10個基因是三者共有的，說明在有袋動物譜系（marsupiallineage）中Y染色體穩定存在了七千八百萬年。這些結果對于我們理解自然選擇是如何作用來保持Y染色體上特異性部分基因的活性功能具有非常重要的意義。
Cortez等人采用了一種更快捷的研究方式，他們尋找那些在雄性個體中表達但不在雌性個體中表達的RNA，然后來驗證得到那些只在雄性基因組DNA中才能發現的編碼這些RNAs的基因。這種方法使他們確認出在10種哺乳動物中有134個基因從Y染色體上進行轉錄，然后他們對這些基因的進化命運進行跟蹤。通過對包括雞（雄性有兩個Z染色體，雌性有一個Z染色體和一個W染色體）和鴨嘴獸（一種單孔類動物，具有奇異的5條X染色體和5條Y染色體）的分析，作者們可以勾勒出一幅更廣泛的性染色體進化的畫面。他們的結果中最值得提到的是胎盤類哺乳動物、鳥類和單孔動物都具有基本獨立的起源，這意味著這些動物之間Y染色體（或W染色體）上基因丟失的模式以及特異性保留的基因類型可以進行相互比較。
這些數據為性染色體上的進化“層（strata）”模型增加了深度和可信度，在這些性染色體上標記著X和Y染色體序列停止重組作用并接著分離的時間點。有趣的是，雖然這些動物具有獨立的起源，但作者們發現在胎盤動物、單孔動物和鳥類的最古老層的年齡令人驚訝的相仿，估算大約分別發生在一億八千一百萬年前、一億七千五百萬年前和一億三千七百萬年前。
另一個性染色體上基因的重要特征是劑量敏感性。劑量不敏感的基因是那些以單拷貝存在時功能完好的基因，這些基因特別有可能成為X或Y染色體特異性基因。相反，劑量敏感性基因對于正常的健康個體則需要兩個拷貝，而這樣的基因則需要在X和Y染色體上都保留下來。參與基因轉錄調控的基因--比如編碼轉錄因子的基因--通常在只有單拷貝劑量時不能行使正常功能，這一現象為Y染色體保留了參與轉錄調控因子的原因提供了一種假設。
由于Y染色體富含具有轉錄調節作用的基因，這意味著Y染色體的功能遠遠超出發育過程早期呈現的僅僅是決定雄性性別開關的功能。實際Y染色體在雄性個體中還對整個基因組中的基因調節具有影響，可能在整個生命過程中以及每一種組織中的生物性功能都具有影響。可以這么說我們剛剛開始對雄性和雌性的分子生物學性質上的差異進行全面的了解，還有許多尚未解答的問題。比如Y染色體上因子的特異性相互作用使雄性和雌性之間所產生的差異到什么程度？
在人體中，個體之間在Y染色體上的變異水平要低于其他染色體。然而Y染色體上連鎖性序列的變化可以導致整個基因組基因表達的改變，這會在雄性個體中產生放大性的差異。雖然在成熟的Y染色體上基因的組成相對穩定，但我們都知道在Y染色體上的DNA序列的進化要比X染色體上的快。盡管我們普遍認為這種現象是Y染色體上導致自然選擇作用降低的遺傳重組作用停滯所造成的結果，但似乎Y染色體還具有對快速的適應性進化性變化進行很大程度調節的能力。（評論完）
04232014-Nature-Article-Y-chromosome-01
Title:Origins and functional evolution of Y chromosomes across mammals
題目：哺乳動物中Y染色體的起源和功能進化
Abstract Y chromosomes underlie sex determination inmammals, but their repeat-rich nature has hampered sequencing and associatedevolutionary studies. Here we trace Y evolution across 15 representativemammals on the basis of high-throughput genome and transcriptome sequencing. Weuncover three independent sex chromosome originations in mammals and birds (theoutgroup). The original placental and marsupial (therian) Y, containing these-determining gene SRY, emerged in the therian ancestor approximately 180million years ago, in parallel with the first of five monotreme Y chromosomes,carrying the probable sex-determining gene AMH. The avian W chromosome aroseapproximately 140 million years ago in the bird ancestor. The small Y/W generepertoires, enriched in regulatory functions, were rapidly defined following stratification(recombination arrest) and erosion events and have remained considerably stable.Despite expression decreases in therians, Y/W genes show notable conservationof proto-sex chromosome expression patterns, although various Y genes evolvedtestis-specificities through differential regulatory decay. Thus, although somegenes evolved novel functions through spatial/temporal expression shifts, mostY genes probably endured, at least initially, because of dosage constraints.
摘要 哺乳動物中Y染色體是性別決定的基礎，但由于Y染色體上含有較多的重復序列，這種特性阻礙了Y染色體的測序以及相關的進化研究工作。在此我們基于高通量基因組和轉錄組序列測定，對15種代表哺乳動物Y染色體的進化情況進行了跟蹤研究。我們發現了哺乳動物和鳥類（外群）中三種獨立的性染色體起源。含有性別決定基因SRY的原初胎盤動物和有袋動物的Y染色體是約一億八千萬年前在獸亞綱哺乳動物（therian）先祖中出現的，同時出現的還有攜帶可能具有性別決定作用基因AMH的單孔類動物五條Y染色體中的第一條Y染色體。鳥類的W染色體可能在約一億四千萬年前在始祖鳥中出現。Y或W染色體上所攜帶的基因庫較小，大多數基因具有調節性功能，這些基因在分層作用（stratification）（重組停止）和基因丟失事件發生后被很快確定下來并保持一定程度上的穩定性。雖然在獸亞綱哺乳動物中這些基因的表達有所降低，但Y或W染色體上的基因顯示出非常保守的原初性染色體的表達模式，而Y染色體上不同的基因會通過差異性調節衰減作用進化形成睪丸特異性表達基因。這樣看來，雖然Y染色體上的某些基因通過時空性表達的變化進化出新的功能，但Y染色體上大部分基因可能會由于劑量限制作用保持了原有的功能，至少在初期階段的情況是如此的。
（正文）
在大多數哺乳動物中，Y染色體都需要對默認性別—雌性—發育過程背后的程序進行重新控制實施?，F存的哺乳動物具有一種XY（雄性配子異形）性染色體系統，也有一些次級XY染色體缺失的很少見的例外存在，但性染色體在獸亞綱哺乳動物（胎盤類和有袋類）以及卵生單孔動物中是從不同的常染色體進化形成的（圖1）。獸亞綱哺乳動物都具有同樣的XY系統，而單孔類動物則具有部分與鳥類性染色體同源的多條X和Y染色體，鳥類性染色體系統是雌性配子異形（ZW系統）。性染色體的分化作用是通過Y染色體上基因重組停止發生的，導致Y染色體上選擇作用減少、相關基因衰減、重復序列積累。最近有人在研究Y染色體的衰減對X染色體進化的影響，但由于Y染色體上富集重復序列而使其序列組裝不易完成的事實對Y染色體自身的進化研究形成了阻礙。盡管如此，通過人們的努力已經完成了三種靈長類動物（人、黑猩猩和短尾獼猴）Y染色體全序的測定以及肉食動物（貓和狗）Y染色體大部分的序列測定工作。這些序列與小規模的研究結果一起為Y染色體的進化提供了初始性的線索，比如通過擴增子序列積累的Y染色體基因穩定性作用。然而，我們對于Y染色體進化的理解由于已有Y染色體數據在數據上和所代表的進化遺傳代表性方面的有限性還停留在非常低的水平上。

Figure 1 | Y (W)protein-coding gene repertoires and their origins.
Top, Y/W genes andstrata (genes are ordered within strata based on dS).Genes added to differentiated sex chromosomes (‘Added’) and independentlyrecruited genes (red text) are indicated. For echidna and ostrich, only genesshared with sister species (platypus and chicken, respectively) were identifiedon the basis of genomic sequencing data. For bird strata age estimations,turkey and zebra finch Z gametologues were included.
Bottom, phylogenetic tree of the 19 species. Lineages,divergence times and origins of strata and genes are indicated. For therianstrata, monotreme S1 and bird S1, refined age estimates on branches are basedon dS trees (Extended Data Fig.5a–f).More approximate placement on branches for platypus S2–S5 and chickenS2–S3 (genes for which strata could not be assigned with confidence are listedas undefined, SU) are based on pairwise (median) dSvalues of stratum genes (dashed lines). Note that although actual Y chromosomeassemblies underlie the previously published12 dog/cat Y repertoires shownhere, the repertoires may be incomplete, because these assemblies (inparticular for cat) are incomplete12. 1,multi-copy genes; y, pseudogenes; j, intact genes in chimpanzee formerly annotated as pseudogenes;A&B 1&2, known duplicates; YAR, Y-added region.

圖1 Y（W）染色體上編碼蛋白的基因目錄及其起源。
上，Y/W染色體上的基因及分層（層內基因按ds排序）。被安排到分化后性染色體上的基因以及獨立征募的基因在圖中分別標示出。對于針鼴鼠（echidna）和鴕鳥（ostrich），在基因組測序數據的基礎上只有與姊妹種屬（分別為鴨嘴獸和雞）共有的基因被確認出來。對于鳥類層年齡的估算，圖中包括了火雞和灰頭文鳥（zebrafinch）的配子同源物。
下，19個物種的進化樹。圖中標出了譜系、分隔時間、層的起源和基因。對于獸亞綱層、單孔動物S1和鳥類的S1來說，分支中重新確定的估算年代基于ds樹（擴展數據圖5a-f）。在鴨嘴獸S2-S5分支和雞S2-S3分支上更多的大致位置（這些層中不能帶有置信度被確定的基因按未確定標記，SU）是基于層基因（虛線）成對兒ds值（中值）確定的。注意雖然我們在此顯示了實際以前發表的狗/貓Y染色體基因目錄背后的Y染色體組裝情況，但這一目錄也許并不完全，因為這些組裝體（特別是貓的）不完整。+表示多拷貝基因；ψ表示假基因；ξ表示以前認為是假基因的黑猩猩中的完整基因；A&B1&2為已知復制；YAR為Y被加入的區域。
哺乳動物Y染色體的基因目錄
為了研究Y染色體的進化情況，我們研制開發了一種減除法，它可以在對于兩種性別高通量轉錄組和基因組測序的基礎上直接對Y染色體上雄性特異性（非假常染色體基因）的外顯子進行組裝和分析（擴展數據圖1）。簡略地說，就是將沒有繪制到雌性參考基因組中的雄性特異性RNA測序閱讀的雄性轉錄物進行組裝。使用全基因組序列數據對Y染色體特征進行確定，即真正的Y染色體轉錄物會得到雄性唯一性的基因組閱讀支持的。通過使用其它物種Y染色體上基因同源物對雄性特異性基因組數據進行篩選可以檢測出沒有表達或低表達的基因?；蚪M數據還可以用來支持先祖性Y染色體基因的缺失（即這些基因的進化性丟失）。我們使用大規模PCR或基于Sanger測序的雄性/雌性基因組DNA的篩選和已經發表的Y染色體的序列來驗證我們的方法，這樣確定出一個已知種屬完整的Y染色體上所有基因的編碼序列（對于那些在樣本組織中不表達以及缺乏已知Y染色體同源物的基因有可能成為例外）有可能被推導出來。
我們將這一方法應用在我們收集的對十種哺乳動物（補充表1-4）的測序數據上。將這些結果與已知的Y染色體序列結合在一起，我們可以對哺乳動物綱（Mammalia，胎盤類或真獸類、有袋類、單孔類）中覆蓋所有主要譜系的15種動物的Y染色體進化情況進行分析，其中不包括真獸類中的貧齒目（Xenarthra），包括兩種現存的單孔類家族（鴨嘴獸和針鼴鼠）以及所有主要的“更高等的靈長類”（即猿類，包括大猩猩、舊世界猴和新世界猴）。為了比較，我們還準備了鳥類（雞）W染色體的類似數據。
我們在10個以前沒有檢測過的物種中確認出了134個不同的Y染色體上編碼蛋白的基因，這樣大致上將以前已知的Y染色體基因數量翻了一倍（圖1，擴展數據圖3；注意對于所有檢測到Y連鎖的基因，在基因符號末尾加注了一個字母Y），另外還有214個特殊的假基因和非編碼RNAs（補充表5-17，補充數據1）。我們的閱讀覆蓋分析結果預計每個物種有0到6個多拷貝編碼蛋白的基因，其中一些基因在其它物種中也存在，因此應該屬于保守的擴增子性的Y區域。155個特殊非編碼RNAs似乎來自擴增子區域，每個位點大致有兩個或兩個以上的拷貝。我們對所有最近確定的雞W染色體上編碼蛋白的基因進行了復原并增加了11個特殊的非編碼RNAs。
真獸類動物Y染色體基因的起源
我們接著對Y染色體上的基因開始獨立于其同伴X染色體進化的時間進行檢測，或者說我們想知道是什么時候這些Y染色體上的基因通過轉位（transposition）和易位（translocation）作用從常染色體或X染色體上征募到已經分化了的Y染色體區域上。我們對所有帶有不同性染色體的外群物種的所有Y染色體基因、X染色體上的同源基因以及常染色體上的同源物進行了進化樹的重建（擴展數據圖4，補充數據1）。在這些進化樹中，節點的位置反映出Y染色體和X染色體之間的分隔，相對于譜系分隔作用，這種位置標記一個已知的Y染色體基因出現的進化位置。為進一步確定年代，我們對Y/X同源性基因分化前后在同義位點的分隔速率（ds）進行了檢測（擴展數據圖5a-f）。
Y染色體是由在特定時間點停止重組作的特殊區域（層）組成的。我們的原始真獸類層1（S1）的進化時間與S2類似，都是產生于同一個先祖性原始性染色體部分（Y/X保守性區域，YCR/XCR），說明其起源于最近共同的真獸類祖先（圖1，擴展數據圖4a），這一結果確定了人和其他真獸類動物的性染色體是在真獸類動物和單孔類動物分離后出現的，而且向一些以前研究結果所意味的那樣，并不是所有哺乳動物中都存在的。需要注意的是，真獸類動物性染色體的起源僅僅在約一億八千萬年前真獸類和有袋類動物分開之前發生的（圖1，擴展數據圖5a），這一結果與我們之前的假設是一致的。S1中含有一套共有的四個基因，包括性別決定基因SRY，這一基因從大多數真獸類動物開始有性染色體時到現在一直保持不變，雖然在某些物種中一些S1基因明顯變得可有可無（圖1）。有趣的是，有袋類動物中保持的基因數十原始性S1基因的兩倍。最后，需要注意真獸類動物中發生S1分化后，Y染色體上的性染色體同源基因的ds相對于X染色體逐漸增加（Benjamini-Hochberg校正后P<0.05，Mann-WhitneyU檢驗；擴展數據圖5g，7a-d），說明以前對真獸類動物報道過的雄性突變的偏好性（即由于更多生殖細胞分裂的數量而產生的雄性比雌性更高的突變率）自從性染色體的出現以來對基因組進行了修正。
S2層在真獸類先祖中約一億一千七百萬年前出現，是在真獸類與有袋類分開后發生的（擴展數據圖4b，5b），這一結果與某些之前的報道一致，但與另一些結果相反。在有袋類動物中一種獨立的含有兩倍于真獸類S2基因數量的有袋類S2，是在真獸類S2出現前約三千七百萬年在有袋類先祖中出現的（擴展數據圖4e，5c）。因此，在真獸類動物和有袋類動物中獸亞綱擬常染色體區域（PAR）以不同的速率縮減，這一過程中包括之前所預計的兩個基因（KDM5D和UBE1Y1）的趨同分化作用（圖1）。
S3是對于已經建立的性染色體上一種較大的常染色體性加附作用（Y/X加附區域），我們對于S3分析的結果顯示S3種包含七個基因而且這一層已經在常見的真獸類動物祖先中確定了（圖1，擴展數據圖4c），就像以前推測那樣。S3是在約一億一千六百萬年前胎盤哺乳動物受到大輻射之前分化形成的，所發生的時間與S2相同，甚至是伴隨S2形成而發生的（比如同樣顛換事件的一部分，擴展數據圖5d），這意味著真獸類MSY只是由約六千萬年的S1然后是真獸類和有袋類動物的分開。就像S1和S2的情況那樣，S3所包含的基因在進化過程中異常穩定（圖1）。然而讓人好奇的是，與S1相似（HSFY、RPS4Y），嚙齒類和絨猴類動物各自獨立地丟失了同樣的兩個S3基因（TMSB4Y和Cyorf15Y），而TMSB4Y還在勞亞獸類中獨立地發生丟失（圖1）。還有需要注意的是大象（15個）要比絨猴（9個）保持多6個先祖性S1-S3基因，真獸類所帶有的S1-S3基因目錄最小。
像以前定義的那樣，進一步的分析結果顯示S4和S5的所有基因在約兩千五百萬到四千萬年前起源于共同的狹鼻猿（catarrhine）（舊世界猴/大猩猩），但有一個基因例外（TBL1Y），這一基因預計在四千萬年前共同的猿類祖先中出現。絨猴的Y染色體上有一個獨特的基因XG，這一基因跨越人的PAR邊界，在大象的PAR區域中保持。還有基因AMELY也駐留在PAR邊界附近，可能在靈長類動物和勞亞獸類動物中分別獨立出現的。MBTPS2Y在南美有蹄類動物（afrotherian）中作為獨立性S4的一部分出現，而MED14Y則代表大鼠中最近獲得的一個基因。靈長類動物Y染色體在最近的進化中通過各種（反式）轉位（transpositions）或易位（translocations）作用從常染色體上征募了一些其他基因。這些結果描繪了真獸類動物Y染色體最近的動態、部分趨同性的進化情況。
雖然現存Y染色體上的基因數很少，但上述結果說明許多Y染色體上的基因經歷了很長的進化性時間階段。對Y染色體基因丟失動態的建模結果揭示出S1-S3基因的衰減在分化作用中很快進行，其速率與之前估算很接近，但當很小數量但明顯具有必要性的基因目錄確定后這種衰減作用明顯消失了（擴展數據圖8c）。
單孔動物Y染色體生物學和進化情況
以前對于單孔動物Y染色體上基因的含量以及Y染色體的進化情況我們基本上不了解（鴨嘴獸有5條Y染色體，而由于Y5-Y3的融合針鼴鼠有4條Y染色體），而鴨嘴獸的X染色體是唯一有已經組裝的基因組的單孔動物，而鴨嘴獸X染色體的重建也只是完成了一部分。為了對單孔動物性染色體進化進行研究，我們對25個確定的單孔動物中Y染色體上編碼蛋白的基因與其X性同源物的出現時間進行了確定。由于對目前已組裝的X染色體沒有任何性同源物可以指定分配，因此我們對25個基因的性同源物中的23個進行了X染色體的性質確定并在雄性/雌性基因組閱讀覆蓋率和同線性制譜的基礎上對可能的位置進行分析（擴展數據圖6，補充數據表19，20），結果揭示出單孔動物性染色體同源物產生于各種不同的先祖同線性區域中，這些區域在進化過程中通過基因組重排作用組裝起來。
我們在單孔動物中檢測到6個可能的Y染色體層，其中的5個出現在鴨嘴獸—針鼴鼠的祖先中（圖1，擴展數據圖5h）。因此，幾乎所有的鴨嘴獸Y基因（25個基因中的22個）都是在共同的單孔動物祖先中至少五千萬年前分化形成的（補充數據1）。重要的是，單孔動物的S1在單孔動物進化過程中起源于一億七千五百萬年前（擴展數據圖4f，5e），這一結果與我們所得到的真獸類性染色體的起源時間一起，意味著在哺乳動物中發生了兩種獨立的但基本上同時的性染色體起源事件，排除了從一種哺乳動物性染色體系統傳遞到另一種哺乳動物中的可能性，產生的問題是兩億年前哺乳動物共同祖先中性決定本質中的問題。
值得注意的是，S1的一個基因是AMH，這一基因編碼一種抗Mullerian的激素，是脊椎動物中性別決定級聯反應的一個關鍵的組分，在真獸類動物中隨著SOX9的激活會對雌性生殖器官的發育起阻礙作用，SOX9被SRY所激活。我們發現AMH在單孔動物中具有Y連鎖性質，而且是最古老層S1的一部分，這些發現與發現AMH可能在SOX9表達前產生以及AMH在某些脊椎動物中作用主要的性別決定觸發因素結合在一起，使這一基因成為單孔動物主要性別決定基因的一個重要候選者?；谖覀兺€性方法所得到的結果和最近對于S1基因MED26Y制得的圖譜，我們預計AMHX會定位在染色體X1上（補充表19，20）而AMHY則會成為Y5的一部分，這與AMHY產生于對應雞28號染色體的一種先祖性譜系的情況相似。提醒注意，我們通過物理圖譜確定了AMHY定位于Y5（擴展數據圖7e，f）。我們的結果支持這樣一種場景即一段含有AMH的先祖性染色體片段假設與原始性染色體Y5-X5發生了融合，形成了最初單孔動物的原始性染色體。這些基因分化后發生了與常染色體之間的各種易位和融合作用，并發生了隨后的分化作用，最終導致形成了只有兩個基因（FEM1CY和HNRNPKY）是從起初的Z染色體同源物原發性Y5部分衍生出來的現在的Y染色體。讓人好奇的是，與真獸類動物同時發生，單孔類動物的Y染色體也獲得了DAZ和SLY同源性基因。
最后，與我們在正獸亞綱中所得到的結果相反，我們并沒有檢測到單孔動物Y染色體和X性染色體同源物之間ds值的顯著差異性（擴展數據圖5g），這說明在單孔動物中雄性突變偏好缺乏或非常有限。
W染色體的起源
接著我們對雞的W層首次進化發生時間進行確定（圖1，補充數據1），我們利用了最近得到的鳥類基因組序列中Z染色體同源物以及雄性和雌性鴕鳥的RNA-seq數據，鴕鳥代表了最基本的鳥類譜系走鳥類（ratite）。與之前的研究結果相反，這一分析的結果揭示出在約一億四千萬年前常見鳥類祖先中出現的帶有兩個基因（HNRNPK和KCMF1）的起始層（擴展數據圖4g，5f），而雞的其他W層似乎起源于鳥類進化的晚期（圖1），盡管更精確的進化發生時間的確定還需要其他鳥類W染色體序列。KCMF1和HNRNPK是廣泛表達的持家基因（housekeepinggene），這兩個基因分別獨立地保留在鳥類的W染色體和單孔動物的Y染色體上（這反應出它們具有共同的祖先），因此這兩個基因并不代表很明顯的性別決定性基因而是為保持原始性染色體Z/W基因劑量而保留下來的劑量敏感性基因。我們的結果與鳥類中基于Z劑量的性別決定機制是一致的。
Y染色體和W染色體上基因的功能性進化
為了理解為什么從起初原始性染色體目錄中只有一小部分特殊的9-25個Y/W編碼蛋白的基因被保留了下來，我們通過模擬對這些基因是否具有特殊的功能進行了檢測，模擬過程起始于原始性染色體連鎖的先祖性基因群，然后隨機移動到其他基因上直到得到目前的Y/W染色體上的基因數。然后我們對模擬基因群的功能與使用基因本體注釋（GO）得到的結果相比較。提醒注意的是，這種分析的結果揭示出在不同的Y或W染色體上帶有類似功能的高度非隨機性的基因群被保留下來（校正后P<0.01，單尾alpha檢驗）?，F存Y/W染色體上的基因大多參與轉錄和轉錄調節以及特異性DNA結合即轉錄因子活性作用，這與最近在果蠅中所見到的結果相一致，說明現存的Y染色體上的基因至少最初保留下來是為了維持先祖性基因的劑量，因為調節性基因和具有結合功能的基因通常會發生單倍體劑量不足的問題（haploinsufficient）。
對于具有不同性別染色體系統的物種中Y/X染色體基因的常染色體同源物的表達水平并沒有受到性別相關選擇作用的影響，可能會起到對原始性染色體表達水平進行測量的作用。使用這種過程的Y/X性染色體同源性原始性染色體前體推測的表達水平要比在所有脊椎動物譜系中其他原始性染色體基因的表達水平高（擴展數據圖8a），這一現象證實了前面提到的觀點即現在的Y染色體基因是從具有普遍性（劑量敏感性）功能的高表達基因中衍生出來的。與這一觀點相一致的是，X/Z性染色體基因同源物顯示出要比其他X/Z連鎖基因更高的表達水平，X/Z性染色體基因同源物被預計會普遍保持其原始性的功能（擴展數據圖8a）。
正獸亞綱動物Y基因的表達水平由于性染色體的分化作用下降（校正后P<0.05，Mann-WhitneyU檢測），其目前（中值）表達水平為3.1（負鼠）到15（嚙齒類動物）倍低于單個原始性染色體等位基因所推測的原始表達水平（圖2），這一現象反映出Y染色體基因的部分調節性衰減作用以及/或朝向新功能的進化作用結果。進一步的分析結果顯示許多正獸亞綱動物Y染色體基因保持了原有的普遍表達的原始模式，其中有趣的例外是SRY和AMHY基因，這些基因似乎已經在原始性染色體上具有了性染色體的偏好性（圖3）。盡管如此，在Y染色體上進化形成新表達模式的基因數量要比X染色體或常染色體上的基因多（校正后P<0.05，Fisher精確檢驗，補充表23）。所有這些Y染色體上的基因都進化成為睪丸特異性表達模式（圖3），這一現象與Y染色體只限于在雄性中傳播相一致。特別要提到的是，正獸亞綱的Y染色體基因通過經歷在體細胞組織中大量強表達降低作用而不是在睪丸中進化形成睪丸特異性表達模式的（P<0.05，Mann-WhitneyU檢驗；擴展數據圖8b）。因此，睪丸特異性的表達模式是通過差異調節性衰減而不是在睪丸中的上調作用進化形成的，這與在果蠅中所見到的現象相一致。與正獸亞綱動物相反，鴨嘴獸的Y染色體基因和雞的W染色體基因顯示沒有相對于它們原始性染色體前體的整體表達減少的現象，其中大部分基因仍然保持原始的空間表達模式（圖3）。因此，在單孔動物和鳥類中Y/W染色體上基因的表達保持作用非常強。

Figure 2 |Expression level evolution on amniote sex chromosomes.
a–d,Expression level distributions (based on medians across somatic tissues ortestis) of Y genes (Y);X genes in males (Xm) and females (Xf); precursors ofX/Y genes on proto-sex chromosomes in males (Pm) and females (Pf).
e, Similar distributions for(proto-)sex chromosomes in chicken. Note: for proto-sex chromosome plots,inferred expression output values were calculated per single gene copy/allele,to assess conservation of ancestral expression levels in current single Y (W)chromosomes. Significant differences (Mann–Whitney U-test): Benjamini–Hochberg-corrected *P<0.05, **P<0.01. Error bars, maximum and minimum values, excludingoutliers.
f–j, Median current/ancestral expression level ratios forindividual genes. Error bars, 95% confidence intervals. Ratios are plotted on alog2 scale, that is, a ratio of 0 (non-log2 ratio of 1, red line) indicatesthat current and ancestral expression levels are similar. R2?statistics represents the best fitto a third-order exponential curve. Gene numbers (n) underlying the data are indicated.
圖2 脊椎動物（amniote）性染色體上基因表達水平的進化
a-d，基于體細胞組織或睪丸中表達中值的Y染色體基因、雄性（Xm）和雌性（Xf）中X染色體基因以及雄性（Pm）和雌性（Pf）原始性染色體上X/Y基因前體的表達水平分布情況。
e，在雞種性染色體上基因的類似情況表達分布。注意：對于原始性染色體圖，所推測的表達輸出值按每個單基因拷貝計算，為評價在現有單Y（W）染色體上原始性表達水平的保守作用。顯著性差異（Mann-WhitneyU檢驗）：Benjamini-Hochberg校正后*P<0.05，**P<0.01。誤差柱代表最大和最小值，不包括極端值。
f-j，單個基因現代/原始表達水平比率的中值。誤差柱為95%置信區間。比率按log2的比例制圖，即比率指為0意味著現代和原始的表達水平相似。R2統計代表三級指數曲線的最佳擬合。圖中在數據下面標注了基因數量（n）。

Figure 3 | Spatial expressionpattern evolution on amniote sex chromosomes. Expression patterns of Y/X genes and proto-sex chromosome (P)precursors (inferred from 1:1 autosomal orthologues in outgroups), or ‘addedgenes’ (AG) and duplicate/precursor genes (asterisk), in males and females, asassessed by the tissue-specificity index. Grey indicates ubiquitous expression;darker tones of colours indicate increasing specificity of expression in agiven tissue. For some genes, homologues could not be analysed (for example,owing to lack of X copy or missing data; not applicable, NA).
圖3 脊椎動物性染色體空間表達模式的進化
在雄性和雌性中，Y/X染色體上的基因、原始性染色體（P）前體上的基因以及后增加的基因（AG）和復制/前體基因（星號）的表達模式，這一結果通過組織特異性指數來評價。灰色表示普遍的表達；更深的顏色表示某種組織中表達特異性的增加。對于某些基因的同源物不能進行分析（比如由于缺乏X的拷貝或數據遺失）。
為了研究正獸亞綱動物睪丸特異性Y染色體基因的功能，我們使用小鼠作為一種模型，對小鼠Y染色體上基因通過使用已經發表的數據對所有主要睪丸類型細胞中的表達進行評價。與普遍表達的Y染色體基因相反，睪丸特異性Y染色體基因的轉錄物只限于三種生殖類細胞：有絲分裂型生殖細胞（精原細胞）、減數分裂型細胞（精母細胞）以及特殊的減數分裂后細胞（圓型的精細胞）（擴展數據圖9a）。雖然這些基因在精細胞中的高表達水平可能會部分反映了整體處于開放狀態的染色質促成的“雜亂的”轉錄作用，但這也可能說明減數分裂后的功能性，這與發現精細胞中精細胞特異性SLY基因是一種性別染色體調節物的現象是一致的（擴展數據圖9a）?？梢詸z測到的非編碼性的以及假基因性的Y染色體轉錄物的現象通常是各個物種中睪丸特異性的，有時還具有多基因組拷貝（補充表5-17）。值得提到的是，小鼠幾乎所有的Y染色體轉錄物都特異性表達在精細胞和精母細胞中（擴展數據圖9b），這一現象可能主要是染色質開放的環境狀態造成的。與精細胞相比在精原細胞中豐度更低的轉錄物被認為是減數分裂型性染色體的失活作用造成的，這種作用抵消了轉錄的雜亂性。
整體Y染色體的進化以及選擇壓力
為了進一步了解Y染色體進化過程選擇性的特征，我們對分支特異性無義替換（dN）和同義替換（dS）的速率進行了計算，結果揭示出與X/Z性染色體同源物以及常染色體前體相比較，Y/W染色體上基因的dN/dS值大大增加，這一結果與之前的研究工作的結果相一致（擴展數據圖10a）。Y染色體分支的dN/dS值總是具有統計顯著性的低于1，我們發現無論對于最基本的Y染色體基因分支還是對生殖分化作用后的分支合并在一起都沒有正向選擇作用的證據。因此在某些物種中某些Y染色體上的基因通過正向選擇作用被修整過，但Y染色體的進化過程通常的特點是松弛的純化性選擇作用，這與MSY上受損的選擇作的結果相一致。所以，Y染色體上的基因可能通常只是保持了先祖性蛋白的功能，這與下面的現象相一致，即SRY甚至可能被其X染色體的對應部分以及功能性前體SOX3進行功能性取代，而特納綜合征（Turnersyndrome）背后大多數X染色體基因不僅逃脫了X染色體的失活作用和強純化選擇作用而且還保持了Y染色體的同源物。這些現象與我們的表達及模擬研究的結果一起，這些情況說明大多數Y染色體上的基因至少起初由于調節性劑量限制而被保存下來。然后某些Y染色體上的基因在精子形成或發育過程中主要通過時間和空間表達模式的改變進化形成了新的功能，這一點可以通過正獸亞綱動物中性別決定基因SRY的情況來說明。（全文完）
04232014-Nature-Article-Y-chromosome-02
Title:Mammanlian Y chromosomes retain widely expressed dosage-sensitive regulators
題目：哺乳動物Y染色體上保留了廣泛表達的劑量敏感性調節因子
Abstract The human X and Y chromosomes evolved froman ordinary pair of autosomes, but millions of years ago genetic decay ravagedthe Y chromosome, and only three per cent of its ancestral genes survived. Wereconstructed the evolution of the Y chromosome across eight mammals toidentify biases in gene content and the selective pressures that preserved thesurviving ancestral genes. Our findings indicate that survival was nonrandom,and in two cases, convergent across placental and marsupial mammals. Weconclude that the gene content of the Y chromosome became specialized throughselection to maintain the ancestral dosage of homologous X-Y gene pairs thatfunction as broadly expressed regulators of transcription, translation andprotein stability. We propose that beyond its roles in testis determination andspermatogenesis, the Y chromosome is essential for male viability, and hasunappreciated roles in Turner’s syndrome and in phenotypic differences betweenthe sexes in health and disease.
摘要 人的X和Y染色體是從一對兒普通的常染色體進化形成的，但許多年前遺傳性衰減作用對Y染色體造成巨大的破壞，Y染色體上只有百分之三的原始基因保留了下來。我們通過對八種哺乳動物重建其Y染色體的進化過程來確認那些保留基因中的偏好性以及保留了幸存原始基因的選擇性壓力。我們的發現說明這種基因選擇性的存活作用并不是隨機的，在兩個實例中胎盤類和有袋類哺乳動物都存在趨同進化的情況。我們得出的結論是Y染色體上的基因內容通過為保持同源性X-Y基因對的先祖性劑量而進行的選擇作用變得特殊，這種同源性X-Y基因對以廣泛表達的轉錄作用、翻譯作用和蛋白穩定性調節物的身分實施功能。我們認為除了在決定睪丸的發育形成以及精細胞生成的作用之外，Y染色體對于雄性個體的存活具有必要性，而且目前在特納綜合癥方法以及在健康和疾病狀態下兩性之間的表型差異方面Y染色體的作用都沒有得到足夠的重視。
（正文）人的X和Y染色體是在三億年以前從常染色體中進化形成的。在進化過程中原來染色體上的先祖性基因只有3%在Y染色體上保留下來，X染色體上則保留了98%。Y染色體上這種遺傳性衰減作用起初進行得非常快，但在兩億五千萬年前時幾乎完全停滯下來，形成了一個穩定的先祖性基因群。Y染色體衰減的數學模型假設所有的先祖性基因具有同等的存活機會。但我們對于人的Y染色體的初始研究工作結果說明Y染色體上的基因具有功能一致性，這一結果促使我們想知道是否哺乳動物的Y染色體偏好性地保留了一組先祖性基因，而如果確實如此的話，這些存活下來的基因又有什么共同的特征。
由于對先祖性常染色體基因內容認識上的局限性，我們早期對于人的Y染色體的分析工作曾受到過阻礙。最近我們通過不同種屬之間的比較來重建各種屬的基因內容并確認出X和Y染色體上的獲得性基因。人的X染色體獲得并擴增了睪丸表達的基因家族。與此相類似，我們將人、黑猩猩和恒河猴之間的Y染色體進行比較，結果說明Y染色體上存在近期獲得并擴增的睪丸特異性基因群。所以人的X和Y染色體都通過獲得一些在其先祖性常染色體上未曾存在過的基因來使雄性生殖系統得到特化作用（specialization）。
我們首先排除了這樣一種可能，即獲得性基因可以獨立地對先祖性Y連鎖基因的某些特征進行檢驗，這些特征指的是遺傳衰減發生時存活下來的基因和丟失的基因之間存在的差異。因為人、黑猩猩和恒河猴的Y染色體共享幾乎完全相同的先祖性基因，所以我們對另外五種哺乳動物進行了分析，從而使我們在研究遺傳衰減作用和先祖性基因存活時提高檢測偏好性的能力。我們所完成的Y染色體先祖性部分序列的這五種哺乳動物是絨猴（marmoset）、小鼠（mouse）、大鼠（rat）、公牛（bull）和負鼠（opossum）。我們將這些序列與已公開發表的人、黑猩猩和恒河猴Y染色體序列進行比較，同時我們將所有八種動物對應的X染色體序列以及雞的常染色體同源物作為哺乳動物X和Y染色體的外群。使用這種擴展的物種樹，我們對哺乳動物Y染色體從起源到現在的進化過程進行了重建。我們得出的結論是存活下來的Y染色體連鎖基因形成了一個功能性一致的基因群，這群基因富集劑量敏感并廣泛表達的轉錄、翻譯和蛋白穩定性方面的調節因子。
我們使用我們曾在靈長類動物Y染色體、人的X染色體和雞的Z染色體測序中用過的SHIMS（單一單倍體迭代制譜測序）方法來完成序列的測定和制譜。所得到的序列有一千七百萬個堿基，準確率為每三十萬個堿基的誤差為一個堿基（補充表1，擴展數據圖1）。為了確認先祖性X-Y基因對，我們對曾確認為先祖性編碼蛋白的Y染色體基因尋找同源物（補充表2，3）。我們通過核對轉錄活性（擴展數據圖2）和比較其與雞同源物的開放讀碼框架來驗證每一個可能的基因。我們在所有八種動物中確認出36個不同的先祖性X-Y基因對，在18個已知存在于人、黑猩猩和恒河猴Y染色體上的先祖性X-Y基因對的基礎上增加了18個先祖性X-Y基因對（圖1）。

Figure 1 | Ancestral Y-linked genes by species and human Xhomologue location.
Ancestral Y-linked genes (filled circles) and pseudogenes (opencircles) listed by the position of their X-linked homologue on the human Xchromosome. The placental-specific added region (red bar) and the conservedregion shared with marsupials (blue bar) of the sex chromosomes are indicatedon the left. Human sex chromosome evolution was punctuated by formation of atleast 4 evolutionary strata (light blue, green, yellow and orange); otherstrata formed independently in opossum (purple) and marmoset (red). Myr,million years.
圖1 根據動物種類和人X染色體同源物位置確定的先祖性Y染色體連鎖的基因。
圖中列出了根據人的X染色體上其X染色體連鎖同源物位置不同分類的先祖性Y染色體連鎖基因（實心圓）和假基因（空心圓）。圖左側顯示的是Y染色體與有袋類動物之間性染色體共享的保守性區域（藍色柱）和胎盤類動物特有的添加性區域（紅色柱）。人的性染色體進化過程被劃分為至少4個進化層（淺藍、綠、黃和橘黃），其它層獨立地在負鼠（紫）和絨猴（紅）中形成。Myr，百萬年。
X-Y基因對子的調節性功能
十七年前我們了解到人的X-Y基因對子在細胞性持家（housekeeping）功能上具有特化的性質。從那時候起，人類基因組的注釋逐漸在細節上增加并完善。因此我們對功能一致性的問題重新回顧并發現了X-Y基因對子實施各種調節性功能的證據（圖2）?；谙茸嫘訷染色體連鎖基因在X染色體上同源物的注釋內容，我們認為這些先祖性Y染色體連鎖基因似乎對中心法則（centraldogma）每個階段都具有調節作用：組蛋白賴氨酸去甲基化酶KDM5D（H3K4）和UTY（H3K27）；轉錄因子ZFY，調節干細胞自我更新能力；剪接體組分RBMY；翻譯起始因子DDX3Y和EIF1AY；以及去泛素化酶USP9Y（圖2）。與其他在X染色體上存留的先祖性基因相比，X-Y基因對子的功能集中在核酸結合、轉錄和翻譯方面的注釋中（擴展數據表1，補充表4），說明X-Y基因對子可以通過基因組控制作用目標的表達。

Figure 2 |Regulatory annotations of X–Y pair genes.
Venn diagram depicting regulatory functions predicted forselected X–Y pair genes on basis of UniProt annotations of human X-homologue.Common alternatives to official gene symbols in parentheses.
圖2 X-Y基因對子的調節性功能注釋
韋恩圖描述了基于Uniprot對于選定X-Y基因對子在人的X染色體上同源物的描述所預測出的基因對子的調節性功能。對應官方基因符號的常見基因名稱標注在圓括號內。
X-Y基因對子的趨同性存留
為了獲得遺傳性衰減作用和先祖性基因存留的認識，我們利用早期發現的在每個基因對子X基因和Y基因序列之間存在的同義核苷酸離散程度沿著人的X染色體以逐步方式進行增加的現象對Y染色體的進化過程進行了重建。這種現象說有一系列的離散事件，可能是Y染色體上的逆位，這些事件在一個單一的區域（或“層—stratum”）中會抑制X-Y基因對子之間的交換，而這種抑制作用并不影響X染色體上基因的順序。我們使用了36個X-Y基因對子來重新計算以前對進化層的重建（擴展數據表2，擴展數據圖3-5，補充表2，5）。在得到與之前重建的一致性后，我們得出的結論是從普通常染色體進化形成的人X和Y染色體至少通過了四個階段（strata）的染色體融合和形成作用（圖3）。
我們的結果說明在胎盤類動物和有袋類動物中包括UBE1Y和KDM5D的X和Y染色體形成階段是各自獨立形成的（擴展數據圖4）。在上述每類動物中同一組先祖性基因都成為了遺傳性衰減作用的目標，各自形成了同樣的自然經歷的基因復制物。在這些形成階段所共有的184個先祖性基因中，有袋類動物的Y染色體上有9個基因存留，胎盤類動物的Y染色體上有3個基因存留，但兩種譜系都存留了UBE1Y和KDM5D基因（圖1，補充表2）。兩個先祖性基因的趨同性存留不象是發生在一種基因存留的遺傳性衰減隨機發生的模型中（單尾Fisher精確檢驗，P<6.25X10-3）。

Figure 3 |Reconstruction of human sex chromosome evolution.
Major events in the evolution of the human sex chromosomes arelabelled with approximate dates in Myr. After SRY evolved,at least 4 evolutionary strata (light blue, green, yellow and orange) formed inthe lineage leading to the human Y chromosome. Each stratum expanded the MSY(male-specific region of the Y, deep blue) at the expense of the PAR(pseudoautosomal region, grey). Genetic decay eliminated most genes from MSY. Achromosomal fusion extended the PAR, generating conserved (XCR/YCR) and added(XAR/YAR) regions.
圖3 人性染色體進化過程重建
圖中人性染色體進化的主要事件按大致發生時間以百萬年為單位標記。當基因SRY進化形成后，在譜系中至少有四個階段（淺藍、綠、黃和桔黃）導致人的Y染色體進化形成。每個階段以PAR（擬常染色體區域，灰色）為代價對MSY（Y染色體雄性特異性區域，深藍色）進行擴增。遺傳性衰減作用從MSY上清除了大部分基因。一項染色體融合作用擴展了PAR，產生保守性（XCR/YCR）和附加性（XAR/YAR）區域。
X-Y基因對子驚人的長壽性
使用這些重新計算過的進化階段（strata）后，我們重新檢測了先祖性Y染色體上基因遺傳衰減的動力學特征。通過對靈長類動物Y染色體的分析，我們得出的結論是，在進化的一個階段里，快速的基因丟失后是一組基因基線水平的穩定作用。通過對五種在Y染色體進化上更加離散的哺乳動物的分析，我們使人Y染色體上基因進化階段基因丟失動力學限制增加了一倍（圖4）并對人Y染色體基因相對于哺乳動物起源的穩定性進行了追溯（圖4）。我們推測九千七百萬年前，胎盤哺乳動物共同祖先的Y染色體上攜帶產生于第一進化階段和第二、三進化階段的18個先祖性基因（圖1）。在這18個基因中，14個存留在人類中，沒有任何一個在過去的四千四百萬年中發生過丟失（圖4）。我們還對先祖性Y染色體連鎖基因是否在有袋動物中穩定存在進行了檢測。最近對于塔馬沙袋鼠（tammar wallaby）Y染色體的分析確認出其與袋獾（Tasmaniandevil）之間有10個共享基因；我們發現這10個基因在負鼠（opossum）中是先祖性的而且都存留下來。這說明在過去的七千八百萬年間負鼠保持了這些基因。我們得出的結論是在胎盤類和有袋類動物中，有些先祖性X-Y基因對子在周圍基因迅速衰減時自身卻保持了驚人的長壽。

Figure 4 | Decay ofY-linked genes to a baseline level.
Gene numbers (on a log scale on the y axis) plotted versus time (in Myrbefore present (Myr BP) on the xaxis). Filled circlesshow inferred or observed gene numbers in (from left to right) Ancestral X–Ygenes (before stratum formation), the MSY of common ancestor of human andopossum (176 Myr BP), bull (97 Myr BP), mouse and rat (91 Myr BP), marmoset (44Myr BP), rhesus (30 Myr BP) and chimpanzee (6 Myr BP), and modern human MSY.Lines represent best-fit curves to data points using alternate models of decay.Exponential decay to a constant baseline provides the best fit; shaded regionsrepresent parameters producing an equally good fit.
圖4 Y染色體連鎖的基因衰減到基線的水平
基因數量（Y軸，對數坐標）相對時間（以距今百萬年計，X軸）作圖。實心圓表示推測或見到的（從左到右）先祖性X-Y基因對子（在進化階段形成之前），人和負鼠共同祖先的MSY（距今一億七千六百萬年）、公牛（九千七百萬年）、小鼠和大鼠（九千一百萬年）、絨猴（四千四百萬年）、恒河猴（三千萬年）和黑猩猩（六百萬年）以及現代人的MSY。直線代表使用不同衰減模型的最佳擬合結果。指數衰減到常數基線水平為最佳擬合；陰影部分代表產生相同擬合效果的參數。
兩種保留Y染色體連鎖基因的方法
從X-Y基因對子調節性注釋內容的角度來看，在胎盤類和有袋類動物中X-Y基因對子的趨同性存留以及所有哺乳動物中先祖性X-Y基因對子的長壽性特征使我們想了解驅動這些基因存留的進化壓力。之前我們考慮到通過兩種進化方式可能會在人的Y染色體基因內容中產生偏好性，這兩種方式是對睪丸特異性基因家族的保留和擴增，以及為了在雄性和雌性之間保持相當表達水平而對X-Y基因對子的保留作用。通過將人的X染色體和雞的常染色體同源物與各物種間比較的方法重建得到了一套639個先祖性基因群，使用這一基因群我們對這些假設是否可以用來解釋在八種現存Y染色體上的36個先祖性X-Y基因對子。
我們預計Y染色體會積累能提高雄性生殖健康水平的基因，而雄性生殖健康水平則取決于成熟睪丸中的精子生成。在我們研究的每個物種中，擴增到多拷貝家族中的先祖性基因都在睪丸中普遍表達或占主導地位（擴展數據圖2）。然而許多這樣的基因在雞的常染色體以及哺乳動物的X染色體上廣泛表達單拷貝同源物，或者象DDX3Y、EIF1AY、UBE1Y和ZFY那樣表達在其他的Y染色體上（擴展數據圖2，補充表2）。這說明動物采用睪丸特異性功能早于基因的擴增。
有證據表明染色體內的基因轉換作用（geneconversion）在靈長類動物Y染色體的回文結構中保留了睪丸特異性基因家族，根據這一證據我們推測基因的擴增作用導致了這些保留性基因的長壽。我們通過八個物種進化樹總的分支長度將存留的Y染色體連鎖基因進行排序（圖5a）。在至少一個物種中得到擴增的基因，其分支長度明顯要長于那些在各個物種中單拷貝的基因（單尾Mann-WhitneyU檢驗，P<4.27X10-5）（圖5a）。當我們將具有大量特殊單拷貝基因的負鼠排除在外后，這種相關性變得更加密切（單尾Mann-WhitneyU檢驗，P<5.54X10-5）。串聯排列的基因家族顯示出物種內高度一致以及物種間高度離散的特征，這是結構內基因轉換作用發生頻率高于基因突變的跡象（擴展數據圖6）。兩對Y連鎖基因，靈長類的RPS4Y1和RPS4Y2以及小鼠的Zfy1和Zfy2是例外。這兩對基因都呈現完全分散的特征，沒有任何跡象表明近期發生過Y-Y基因的轉換（擴展數據圖6）。我們得出的結論是為雄性生殖作用特化的基因通過在Y連鎖性多拷貝基因家族中染色體內基因轉換作用避免了遺傳性的衰減。
接著我們檢測Y染色體上單拷貝基因的存留是否是要保持對兩性都重要的廣泛表達基因正確劑量的選擇作用的結果。由于遺傳性衰減，Y染色體上大多數的基因都丟失了，而在雄性個體中X染色體進化形成了一種補償Y染色體連鎖基因劑量缺失的機制。Y染色體可能會偏好性地保留那些對于這種進程變化狀態不具備優勢的基因，因為這些基因具有一個非功能性Y連鎖基因和一個具有功能性但非劑量補償的X連鎖的同源物。在許多組織和細胞類型中起作用的劑量敏感性基因可能對于這些壓力特別敏感。為了找到我們這一36個X-Y基因對子與其余的X染色體上603個先祖性基因之間在劑量敏感性、表達寬度以及純化作用選擇強度等方面的系統差異性，我們重新對發表的數據進行了分析。
我們對X-Y基因對子是否會顯示出劑量敏感性跡象進行了檢測。對于人類的數據，通過一個基因一個基因的估算預測出與那些缺乏Y同源物相比的帶有存留Y同源物的先祖性X連鎖基因更可能存在單倍體劑量不足效應（haploinsufficiency）（單尾Mann-WhitneyU檢驗，P<6.59X10-3）（圖5b）。如果存留的X-Y基因對保持了先祖性基因的劑量，那么帶有存留的Y連鎖同源物的X連鎖基因就應該逃脫X染色體的失活作用。在人、小鼠和負鼠中，雌性等位基因特異性表達的數據表明有這樣一組先祖性基因的存在（補充表2）。在每一個物種中，與那些沒有存留性Y連鎖同源物的X連鎖基因相比，帶有存留性Y連鎖同源物的X連鎖基因的比例更高（補充表2），而且在X同源物成為X染色體失活作用目標的X-Y基因對子所具有的Y同源物顯示出功能性分化的跡象。在人類中，已知的14個X-Y基因對子中有12個逃脫了X染色體的失活作用，但385個存留的先祖性X基因中只有168個逃脫了X染色體的失活作用（單尾Fisher精確檢驗，P<1.89X10-3）（補充表2）。兩個特例，TSPY和RBMY，擴增到睪丸特異性基因家族中（擴展數據圖2，6）。在小鼠中9個已知的X-Y基因對子中有4個逃脫了X染色體的失活作用，但344個存留的先祖性X基因中只有5個逃脫了X染色體的失活作用（單尾Fisher精確檢驗，P<2.36X10-5）（補充表2），小鼠的X染色體失活作用比人的更完全。在小鼠中所有5個例外基因（Sry，Rbmy，Ube1y，Usp9y和Zfy）都進化成為睪丸特異性表達基因（擴展數據圖2）。雖然在胎盤類和有袋類哺乳動物中X染色體失活作用的機制有所不同，但所有8個已知的負鼠X-Y基因對子都逃脫了X染色體的失活作用，但138個存留的先祖性基因中只有15個逃脫了（單尾Fisher精確檢驗，P<1.17X10-7）（補充表2）。
特納綜合癥（Turner’ssyndrome）的表型（典型與45,X核型或X染色體單體性相關）說明在人體中對于一個或多個性染色體連鎖的基因有嚴格的劑量要求。如果X-Y基因對子的劑量部分是特納綜合癥表型形成的原因，那么我們可以解釋X染色體單體性在人和小鼠中所形成特征的不同。人體中X染色體的單體性會導致胎兒在子宮中的存活率很差。核型為45,X的孕體（conceptus）能存活到出生的幾率不到百分之一。即使存活到出生的個體，其體內第二條染色體通常全部或部分為嵌合體，因此攜帶特納綜合癥表型個體的存活率可能反映出組織及個體X-Y成對基因劑量表達條件下的成活率。小鼠X染色體單體性的表型就不那么嚴重，表現為體形較小但可以存活，生殖能力有所降低。這種溫和的表型可能反映出小鼠X染色體上需要兩個拷貝劑量的一種基因缺陷：在小鼠的Y染色體上只有9個先祖性基因存留（人的有17個），更少的X染色體連鎖基因逃脫失活作用。
最后，人X染色體連鎖性智力缺陷綜合癥為特異性X-Y成對基因的劑量敏感性提供了證據。UTX（亦稱KMD6A）、KDM5C和NLGN4X都具有Y染色體同源物，逃脫X染色體失活作用并表現為單倍體劑量不足的狀態（補充表2）。UTX突變會導致歌舞伎綜合癥（Kabukisyndrome），同時存在基因的復制和刪除，導致在男性和女性中多處先天性異常和智障。在半合子（hemizygous）男性中KDM5C與X染色體連鎖的智障相關，也有報道稱在幾個家庭的雜合子女性帶有溫和型的智障。在半合子男性和雜合子女性中，NLGN4X基因的突變與自閉癥以及和特納綜合征認知和行為方面表型相似的學習能力缺陷有關。甚至只有在負鼠中確認出了的人X同源性X-Y基因對子（HCFC1、HUWE1和MECP2）還顯示出對于基因劑量劇烈的敏感性。在人類中，每一個這種X染色體連鎖的基因都沒有Y染色體同源物，是X染色體失活作用的目標（補充表2）。盡管如此，一種導致HCFC1過量表達的非編碼性突變以及HUWE1和MECP2的基因復制在男性中與X染色體連鎖的智力障礙相關。因此即使HCFC1、HUWE1和MECP2的人Y染色體同源物都丟失了，存留的X染色體同源物已經進化形成了劑量補償作用，但這些基因劑量仍然被嚴格限制。

Figure 5 | Factorsin the survival of Y-linked genes. Violin plots, white bar, interquartile range; circle, medianvalue; asterisk, significant difference in one tailed Mann–Whitney U-test.
a, Multi-copy genes (n=9) havegreater longevity than single-copy genes (n=27) (P<4.28X10-5).
b, X–Y pair genes (n=32) havehigher haploinsufficiency probability than other ancestral X genes (n=478) (P<6.59X10-3).
c, X–Y pair genes (n=28) havebroader expression across human tissues than other ancestral X genes (n=383) (P<2.20X10-3).
d,X-Y pair genes (n=27) have lower dN/dSratio than other ancestral X genes (n=489) (P<3.39X10-4).
圖5 Y染色體連鎖基因存留的因素。小提琴形狀圖，白色柱表示四分位距；圓圈代表中值；星號表示單尾Mann-WhitneyU檢驗的顯著性差異。
a，多拷貝基因（n=9）要比單拷貝基因（n=27）的壽命長（P<4.28X10-5）。
b，X-Y成對基因（n=32）要比其他先祖性X染色體基因（n=478）發生單倍體劑量不足的幾率大（P<6.59X10-3）。
c，X-Y成對基因（n=28）要比其他先祖性X染色體基因（n=383）在人體組織中具有更廣泛的表達范圍（P<2.20X10-3）。
d，X-Y成對基因（n=27）要比其他先祖性X染色體基因（n=489）具有更低的dN/dS比例值在人體組織中具有更廣泛的表達范圍（P<3.39X10-4）。
在許多組織和細胞類型中實施功能的X-Y成對基因可能面對額外的選擇性限制作用，這種限制作用既可以阻止Y染色體連鎖基因的丟失，也可以阻止X染色體上劑量補償的基因進化作用。在所有的八個物種中，單拷貝Y染色體連鎖基因在所有的成年組織中都有廣泛的表達（擴展數據圖2），有兩個主要的例外，這兩個例外中X-Y基因對子都具有先祖性受限的表達作用。這兩個例外一個是在無齒鳥類中同源物消失的AMELY，這個基因只在發育齒芽中表達；另一個是HSFY，這個基因是睪丸特異性的，有一個主要在睪丸中表達的雞的同源物。雞類中哺乳動物X-Y成對基因的常染色體同源物要比只在X染色體上存留的先祖性基因的同源物在各種成年組織中的表達范圍廣得多，而且X-Y成對基因在各類哺乳動物中保持這種更廣范圍的表達模式（單尾Mann-WhitneyU檢驗，雞類P<3.38X10-3；人類P<2.20X10-3；恒河猴P<1.39X10-7；小鼠P<4.74X10-8；大鼠P<4.63X10-6；公牛P<1.20X10-5）（圖5c，補充表2）。這種廣泛的表達作用持續到發育的早期階段。相對于其他在X染色體上X染色體連鎖的先祖性基因，在人、小鼠和牛的受精卵著床前發育的時間過程中合子性基因激活作用激發之后，X-Y成對基因中富集上調的基因（單尾Fisher精確檢驗，人P<2.13X10-2；小鼠P<5.39X10-4；公牛P<1.37X10-2）（補充表2）。X-Y成對基因要比在X染色體上存留的其他先祖性基因在發育時期許多組織中具有更廣泛的表達。
與在睪丸內表達的多拷貝基因家族不同，Y染色體上廣泛表達的劑量敏感性單拷貝基因不能通過染色體內基因轉換作用來阻止遺傳衰減，而一定要依靠純化性選擇作用。我們之前對于Y染色體上單拷貝基因之間人的序列變異情況的調查結果顯示人類自然選擇作用有效地保持了Y染色體連鎖基因的氨基酸序列。如果X-Y基因對子是單倍體劑量不足的話，改變X染色體連鎖性同源物功能的等位基因應該在雄性和雌性中都是有害的。我們為尋找X-Y基因對子在X染色體上的連鎖同源物是強純化性選擇作用目標的證據，對Ensembl人-小鼠同源物對比數據進行了檢測。相對于X染色體上其他的先祖性基因，X-Y基因對子在X染色體上連鎖同源物的非同義與同義替換速率的比率有所下降（dN/dS）（單尾Mann-WhitneyU檢驗，P<3.39X10-4）（圖5d）。我們得到的結論是這些廣泛表達、劑量敏感的X-Y成對基因要比其鄰近的X染色體上基因受到了更強烈的純化性選擇作用。
人的Y染色體基因保證了男性的存活性
我們的結論是許多Y染色體連鎖基因的長壽是由于在男性個體中為了保持與其常染色體先祖相當的劑量敏感、廣泛表達的X-Y基因對子表達水平的選擇作用的結果。這一模型預測存留的單拷貝X-Y基因對子成員之間應該是功能性可以互換的。事實上，人的Y染色體連鎖基因RPS4Y1和DDX3Y在體外水平與其X染色體同源物之間是可以進行功能互換的，而且雖然小鼠Y染色體連鎖基因Uty的組蛋白去甲基化酶功能域似乎處于非活性狀態，但在小鼠胚胎發育過程中基因Utx和Uty是出于功能性冗余狀態的。
之前的結果說明保持這些Y連鎖基因的選擇性壓力在人類中仍保持強有力的選擇作用；99%人45, X核型的孕體不能存活，而那些存活下來的個體通常第二個性染色體部分或全部呈嵌合體狀態。因此我們也得出這樣的結論即人Y染色體上廣泛表達、劑量敏感的基因與逃脫了X染色體失活作用的它們的X染色體上同源物一起，總體上是單倍體致命性的。我們認為作為一組基因，這十幾個Y染色體連鎖基因是核型為46,XY胚胎存活所必需的。因此我們認為人的Y染色體具有第三種生物功能：這條染色體上所攜帶的單拷貝基因保證了男性個體的存活。這與人Y染色體更普遍認為通過SRY對睪丸的確定性以及通過擴增性基因家族對精子生成的作用是不同的。
在健康和疾病狀態下性別的差異
所有各種在人類男性和女性之間的差別—從解剖學到對疾病的敏感性—都來自X和Y染色體上基因的差異性，這種差異性隨著X和Y染色體在基因內容上與它們的常染色體祖先分開時就顯示出來了。在人的Y染色體上17個存留的先祖性基因中，4個基因（SRY、RBMY、TSPY和HSFY）與其X染色體上的同源物（SOX3、RBMX、TSPX和HSFX）在功能上明顯不同，這種差異性使這四個基因在生殖系