Y染色體

Y染色體是屬於XY性別決定系統的大多數哺乳動物（包括人類）的兩條性染色體之一。在哺乳動物的Y染色體中含有的SRY基因能觸發睪丸的生長，並由此決定雄性性狀。人類的Y染色體中包含約6千萬個鹼基對。Y染色體上的基因只能由親代中的雄性傳遞給子代中的雄性（即由父親傳遞給兒子），因此在Y染色體上留下了基因的族譜，Y-DNA分析現在已應用於民族遷徙、家族歷史的研究。

## 概觀

大多數哺乳動物每個體細胞中含有一對性染色體，其中雌性擁有兩條X染色體；而雄性則擁有一條X染色體與一條Y染色體。哺乳動物的Y染色體的DNA上含有能夠促使胚胎發育成雄性的基因，這個基因稱為SRY基因。Y染色體上的其他基因還包含製造正常精子所必需的基因。

動物中也有少數具有多對性染色體的物種。例如，鴨嘴獸依靠包含5對染色體的XY性別決定系統來決定性別。鴨嘴獸的性染色體其實與禽類的Z染色體具有更高的同源性，在其他哺乳動物的性別決定系統中處於核心地位的SRY基因不再參與鴨嘴獸的性別決定。在人類中，由於染色體變異，一些男性每個體細胞中擁有一對X染色體及一條Y染色體（「XXY」型，見XXY症候群），或一條X染色體和一對Y染色體（「XYY」型，見XYY綜合症)。一些女性每個體細胞中只有一條而不是一對X染色體（「X0」型，見特納症候群）或有三條X染色體（「XXX」型，見X-三體）。在人類的一些疾病中，還曾出現因為SRY基因被破壞（導致XY雌性）或因SRY被複製到了X染色體上（導致XX雄性）而產生的反常例子。相關現象參見雄激素不敏感綜合症與雌雄同體。

## 起源與進化

### Y染色體出現之前

許多屬於變溫動物的脊椎動物是沒有性染色體的。它們的性別由外界環境因素而不是個體基因型決定。這種動物中的一部分（例如爬行動物）的性別可能取決於孵化時的溫度；其他則是雌雄同體的（亦即它們每個個體中同時能產生雄性和雌性的配子）。

### 起源

X染色體和Y染色體現在被認為是由一對相同的染色體演變而來的，這對染色體原屬於常染色體（區別於「性染色體」）。某個遠古哺乳動物的祖先發生了等位基因的變異（即所謂的「性別基因座」）——只要擁有這對等位基因的個體就會成為雄性。包含這對等位基因之一的染色體最終形成了Y染色體，而包含等位基因另一半的染色體最終形成了X染色體。隨著時間的推移和環境對物種的選擇，對雄性個體有利而雌性個體有害（或沒有明顯作用）的基因在Y染色體上不斷得到繼承和發展，Y染色體也仍不斷通過染色體易位獲得這些基因。

X染色體和Y染色體之前一度被認為已向不同方向演化了大約3億年。不過最近的研究（尤其是鴨嘴獸基因組測序）中表明，XY性別決定系統只是在大約1.66億年以前出現的，是在單孔目動物（原獸亞綱）從其他哺乳動物（獸亞綱）中分離出來開始的。這次對獸亞綱哺乳動物XY性別決定系統誕生的重定年是基於有袋動物（後獸下綱）和胎盤動物（真獸下綱）的X染色體中的某些基因序列也出現在鴨嘴獸和飛禽類的常染色體中的發現的，而較早以前的估算則是基於鴨嘴獸的X染色體含有胎盤動物的某些基因序列。

### 重組抑制

X染色體和Y染色體之間的基因重組已被證實是對生命體有害的，它會導致雄性動物丟失Y染色體在重組之前所含有的必需基因、雌性動物多出原本只會出現在Y染色體上的非必需基因甚至是有害基因。所以，在進化過程中，對雄性有利的基因就逐漸在性別決定基因附近聚集，後來這個區域的基因發展出了重組抑制機制以保護這個雄性特有的區域。Y染色體不斷沿著這種路線演化，抑制Y染色體上的基因與X染色體上的基因發生重組。這個過程最終使得Y染色體上約95%的基因不能發生重組。

### 退化

同源染色體的基因重組本是用於降低有害突變保留的機率、維持遺傳完整性的，但Y染色體因不能與X染色體發生重組，被認為容易發生損毀而導致退化。人類的Y染色體在其演變的過程中丟失了原本擁有的1,438個基因中的1,393個，減少到45個基因，約每一百萬年丟失4.6個基因。據推算，若Y染色體仍以這樣的速率丟失基因，它有可能在一千萬年後完全喪失功能。對比基因分析的資料顯示，許多哺乳動物都在喪失它們各自雜合性染色體的功能。但，有研究指出，退化可能只會出現在受到以下三種主要進化原動力作用下的不可重組的性染色體上：高突變率，低效率的自然選擇以及遺傳漂變。另一方面，一項關於人類和黑猩猩Y染色體的比較顯示：人類的Y染色體在六七百萬年前人類從類人猿中分離、開始獨自進化後並沒有丟失任何基因，這是可能證明線性外推模型是錯誤的直接證據。

另外，最近一項關於Y染色體退化的研究表明，人類的Y染色體DNA上具有大量複雜的重複基因序列及特殊的迴文結構，這些結構使Y染色體可以在自身內部進行自我基因重組等過程（這些過程被稱為「Y-Y基因轉換」），這種基因重組被認為能維持其穩定性。

#### 高突變率

人類Y染色體由於其特殊存在環境而具有較高的突變機率。Y染色體通過男性的精子傳遞，而精子在配子發生過程中經過多次細胞分裂，每次細胞分裂都使其累積更高的鹼基突變機率。此外，由於精子是被儲存在高氧化環境的睪丸中，這亦使Y染色體具有更高突變機率。這兩種因素的共同作用使得Y染色體具有比基因組其他部分更高的突變機率，根據Graves的報導指出，這種機率提高可達4.8倍。

### 未來進化方向

Y染色體的退化可能導致其他染色體將其原有基因「接管」，最終會使得Y染色體完全消失，而一個新性別決定系統則會誕生。幾種同屬的鼠科及倉鼠科的齧齒目動物已經通過下列途徑達到Y染色體演化終端：

- 鼴形田鼠如土黃鼴形田鼠（Ellobius lutescens）及坦氏鼴形田鼠（Ellobius tancrei）的鼠類不論雄性或雌性的基因型皆為XO，而所有坦氏鼴形田鼠的基因型皆為XX。由第二號染色體的CBX2基因代替SRY基因，發揮了決定雄性性別的作用。
- 裔鼠屬中的奄美裔鼠和沖繩裔鼠和德之島裔鼠，已完全丟失它們的Y染色體（包括SRY基因），而將其餘的一些原來在Y染色體上的基因轉移到了X染色體上。由CBX2基因代替SRY基因，發揮了決定雄性性別的作用。
- 林旅鼠（Myopus schisticolor）、鄂畢環頸旅鼠（Dicrostonyx torquatus），和南美原鼠屬（Akodon）中的眾多物種通過X染色體和Y染色體複雜改變，演化出除了基因型為XX的雌性以外的另一種擁有一般雄性才擁有的XY基因型的雌性。
- 在雌性潛田鼠（Microtus oregoni）中，每個個體的單個體細胞只有一條X染色體，只產生一種X配子；而雄性的潛田鼠基因型仍為XY，但可以通過不分離現象（Nondisjunction）產生Y配子和不含任何性染色體的配子。

在齧齒目動物之外，黑麂（Muntiacus crinifrons）通過融合原有的性染色體和常染色體演化出了新的X染色體和Y染色體。靈長目動物（包括人類）的Y染色體已嚴重退化這一現象預示著，這類動物會相對較快地發展出新的性別決定系統。學者估計，人類將在約1.4千萬年後獲得新的性別決定系統。

## 人類的Y染色體

人類的Y染色體擁有約0.58億個鹼基對（DNA基本結構），約占人類男性體細胞中DNA的2%。人類Y染色體上有86個基因，這些基因只編碼了23種不同的蛋白質。只有擁有Y染色體才能可能繼承的性狀被稱為雄性性狀。

人類的Y染色體除了在端粒上的擬常染色體區的少部分片段（只占有染色體長度約5%）能與相應的X染色體發生重組，其外都不能發生重組。這些片區是由原本X染色體與Y染色體同源的片段遺留下來的。Y染色體中不能發生重組的其他部分被稱為「NRY區」（non-recombining region，非重組區）或稱「男性特異性區域」（Male-specific region of the Y chromosome, MSY）。這個區域中的單核苷酸多態性被用於父系祖先的追溯。MSY包括：

- 異染色質序列，長約40Mb，未被測序
- 常染色質序列，長約23Mb，包括156個轉錄單位，78個蛋白編碼基因，但多數是假基因和重複拷貝，僅編碼27種蛋白。分為：
- X轉作區，長約3.4Mb，含2個基因
- X退化區，含16個在X染色體上有同源基因的單拷貝基因，包括性別決定因子SRY
- 擴增區，為高度重複序列，長約10.2Mb，含60個基因，分屬9個基因家族

## 統計資料

長度｜59,363,566

已測序序列｜25,653,566

已注釋序列｜24,659,617

備份總數｜237

完全注釋備份｜227

基因總數｜453

編碼蛋白質總數｜55

### 基因

（不包括擬常染色體基因）

- /（amelogenin，成釉蛋白）
- //（Ribosomal protein S4，核糖體蛋白S4）
- （azoospermia factor 1，無精症因子1）
- （basic protein on the Y chromosome)
- （deleted in azoospermia，無精子缺失）
- （protein kinase, Y-linked，伴Y染色體蛋白激酶）
- SRY（Y染色體性別決定區）
- (testis-specific protein，睪丸特異蛋白)
- UTY (基因)（ubiquitously transcribed TPR gene on Y chromosome）
- （zinc finger protein，鋅指蛋白）

### 伴Y染色體疾病

伴Y染色體的疾病有很常見的也有很罕見的。然而，通過研究罕見的伴Y染色體疾病在了解Y染色體在正常情況下的職能仍然具有十分重要的作用。

#### 較常見疾病

"生命"的必需基因在X染色體上，而Y染色體上並沒有，因而人類單個有X染色體即可以存活，表示Y染色體並不是必需存在的染色體。唯一明確的與Y染色體的缺陷有關的人類疾病是睪丸發育不良（由SRY基因的缺失或有害突變導致），但擁有兩條X染色體和一條Y染色體也會導致類似症狀，也就是只要有Y染色體即可能有此一症狀。另外，擁有多條Y染色體除了會造成更雄性化以外，還會帶來其他影響。

##### Y染色體缺陷

即使某個個體的核型為XY，不完備的Y染色體無法影響個體雄性化，而會讓一個個體的表現型還原為雌性（擁有類似女性的生殖器）；但如果一個女性只有一條X染色體（一般女性擁有兩條X染色體）會使其生殖功能不完備而可能無法生殖。從反面來看，意即有缺陷的Y染色體會使個體雄性化失敗。

造成這種疾病可以認為是由Y染色體不完整造成的：Y染色體只剩下部分片段往往導致睪丸的發育不良，因此，嬰兒可能會獲得內部或外部沒有完全成型的男性生殖器，也可能產生結構模糊化現象（尤其是存在鑲嵌現象的情況下）。如果剩下的Y染色體片段過小或失去功能，該嬰兒可能發育為具有特納氏綜合症和混合性性腺發育不良症症狀的女孩。

#### 較罕見疾病

下列這些Y染色體所造成的疾病較罕見，但是由於其Y染色體的性質而表現顯著。

##### Y染色體多於兩條

Y染色體多體症（在每個細胞中有多於兩條的Y染色體，如XYYY）很大程度上是罕見的。在這種情況下，額外的遺傳物質會導致骨骼畸形，智力下降，生長遲緩，但是其所表現出來的症狀的嚴重性會有差異。

##### XX男性綜合症

XX男性綜合症是當基因重組發生在男性的配子上所引發的，這造成了Y染色體上的SRY基因（Y染色體性別決定區）移動到了X染色體上。當這樣的一個X染色體發育成一個孩子，這個孩子將會因為SRY基因而發展成一個男孩。

### 遺傳譜系

在人類遺傳譜系（其應用從遺傳學到系譜學）的研究中，Y染色體所包含的資訊尤其使人感興趣。因為與其他基因不同，Y染色體只由父親遺傳給兒子。（另外，線粒體DNA只進行母系遺傳，這使人們可以用一種類似的方法來追蹤母系遺傳譜系資訊。）

## 非哺乳動物物種的Y染色體

除了哺乳動物，自然界中還有其他生物群體也具有XY性別決定系統，但是這些系統中的Y染色體和哺乳動物的Y染色體的祖先並不相同。

具有Y染色體的非哺乳動物包括部分昆蟲（如果蠅）、魚類、爬行動物。另外，部分植物也具有Y染色體。

就黑腹果蠅而言，Y染色體並不引起雄性果蠅的發育。相反地，性別決定於X染色體的數目，但黑腹果蠅的Y染色體包含了對雄性生育能力必要的基因。所以，基因型為XXY的黑腹果蠅為雌性，只擁有單個X染色體（XO）染色體的為雄性但不能生育。但，一些種類的果蠅在只擁有單個X基因時依然具有生育能力。

### ZW型性染色體

其他物種含有鏡像性染色體：即雌性的基因型為XY，而雄性的基因型則為XX。但為避免混淆，生物學家把這類物種中雌性的Y染色體稱作W染色體，對應的另一個染色體稱作Z染色體。

部分雌性的鳥、蛇及蝴蝶含有Z染色體及W染色體，雄性的含有兩個Z性染色體。這些物種的性別決定系統屬於ZW性別決定系統。