为什么X染色体如此奇怪交通比喻帮助我们揭开神秘面纱

您可能没有意识到这一点，但您的一条染色体--X染色体 - 与其他染色体有很大不同，并且十多年来一直为科学家们提出了一个难题。在哺乳动物进化史早期，现在的X染色体就像我们其他染色体一样。但在某些时候它演变为不同。

与所有其他染色体不同，女性的两条X染色体中的一条在几乎所有细胞中都被灭活。它也具有极低的突变率，并且 - 最令人困惑的是 - 在其上发现的基因在我们相对较少的组织中是活跃的。现在，我们最近在PLOS Biology上发表的一项研究已经开始通过使用交通类比来阐明正在发生的事情。

两性之战

在人类中，每个细胞通常包含23对染色体。只有其中一对 - 性染色体 - 在男性和女性中不同。如果你是生物学上的女性，你从父亲那里继承了一条X染色体，从母亲那里继承了一条X染色体。如果你是生物学上的男人，你从母亲那里继承了一个，从父亲那里继承了Y染色体。

像所有其他染色体一样，X染色体带有用于产生蛋白质的基因，这些蛋白质可以产生可观察到的特征。这通过转录过程发生，其中制备DNA的单链拷贝，然后将其解码成蛋白质。当像这样处理基因时，据说它是“表达的”。基本上，基因表达解释了存储在DNA中的遗传信息，将其转化为特征。

在20世纪80年代，一项研究预测 X染色体上的基因应该易于进化，只能在两性中的一种中进行，使它们不同。这可以解释女性和男性之间的某些生理差异(该研究专门研究了大角羊角的大小和形状的差异)。当新的突变发生在X染色体上时，它们对女性的影响的选择频率是男性的两倍。因此，一种对女性有益但对男性有害的突变仍然存在。

但这并没有真正解释为什么X染色体上的基因不像其他基因那样在多少组织中表达。观察FANTOM5的人类基因图谱，我们发现即使在性别特异性组织(如子宫，睾丸，卵巢)中表达的基因被排除在等式之外，这种趋势也是正确的。

我们的研究测试了另一种可能性 - 认为很难增加基因在X染色体上表达的量。为了表达基因，我们需要其他蛋白质，称为转录因子。这些蛋白质粘附在基因附近的DNA上，其功能类似于“开关”。为了增加表达，需要增加通过与该基因结合来刺激表达的这些蛋白质的量。但是在男性的染色体上，这些蛋白质只能结合一个位点而不是两个位点。在女性中，其中一个已经停用。

对于我们其他染色体上的类似基因，如果需要快速表达，则有两个位点可以并行激活。例如，在我们需要血红蛋白从呼吸器官携带更多氧气到其他器官的细胞中，产生它的基因可以比任何其他组织或细胞中的任何其他基因更高的速率表达。然而，X染色体就像一条单车道的道路，在高峰时段比双车道道路上的交通量更少 - 导致基因表达交通拥堵。

交通拥堵

我们预计，当峰值流量率很高时，X染色体上的基因就会出现问题。我们的统计分析显示，正如预期的那样，X染色体上的峰值交通流量低于其他基因的一半。

此外，在进化时间内从X移动到另一条染色体的基因和那些已经走向另一条染色体的基因是不同的：移动到X染色体上的基因具有低得多的峰值表达率，使得那些进行反向旅行。并且X染色体上表达的基因越高，其进化时间内的表达水平就越低于其他基因。当您遇到单车道交通拥堵时，很难加速。

同样的交通拥堵理念也解释了为什么X染色体上的基因在少数组织中表达的古老谜团。在许多组织中表达的基因倾向于具有非常高的峰值表达率的基因。根据交通堵塞模型，真正高度表达的基因不能在X染色体上发挥作用，事实上，随着X染色体的进化，这些基因似乎远离X染色体。同样，组织特异性基因具有很高的在X染色体上未发现峰值表达。与非常高的峰值交通流量相关的组织 - 例如具有非常活跃的分泌的组织，例如我们的胰腺 - 也是其中X连锁基因倾向于不表达的组织。

这些结果表明，为了理解我们的基因和染色体是如何进化的，我们可能需要更多地考虑它们生活在起点的物理系统的简单限制，而不是仅仅研究生物性别差异的遗传基础。本研究还有一些实际应用。例如，当涉及基因治疗时，我们人工引入新版本的基因以补偿突变版本，如果可能的话，我们应该避免将其插入X染色体，因为它可能会妨碍正确表达。

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