X染色體對＂智力發育＂有著巨大的作用,女性有兩條X,男性只有一條X,問題......

2021-01-20 生命科學教育

摘要：X染色體對大腦結構，認知能力，智力發育等等都有著巨大的作用。對於男孩來說，他們唯一的X染色體來源於母親，也就說，理論上講母親對兒子智力方面的遺傳作用也應該是巨大的，但是.......


女性有兩條XX染色體，男性只有一條X染色體，但男性具有短短的Y染色體，這條染色體上面的基因較少，主要決定男性的性別。這樣看來，女性的兩條X染色體上的基因是不是比男性的XY染色體有用得多？產生的功能蛋白和結構蛋白也要多得多？

你的想像力真豐富，也想多了！

原來女性的兩條XX染色體中，有一條是失活的！

三花貓（玳瑁貓）是一個典型的X染色體失活的事例

貓決定顏色的基因在x染色體上 ，所以母貓可以有2種顏色，加上白色就是3種顏色 ，公貓只可能有1種顏色，加上白色最多2種顏色！因此，所有的三花貓都是母貓。

三花貓基本都是雌貓，絕少出現三花雄貓的。三花來源本質上是白色的底色（該基因位於常染色體上）疊加由X染色體決定的黑色和橘色。由於兩條X染色體中會隨機失活一條，因此只有攜帶兩條X染色體的貓才能呈現黑、橘、白三色，而正常的攜帶兩條X染色體的貓就是雌貓。對於雄貓來說，出現性染色體三體的情況下（XXY）時，才會呈現三色，因此三色雄貓特別稀少。

自然確保不會發生這種情況：其中一條X染色體在女性子宮的早期發育中是完全地、永久失活。但負責這種失活的機制尚不完全清楚。然而，小鼠研究表明，一個被稱為Xist的核糖核酸(RNA)分子在這個過程中起關鍵作用。幾百個這個分子的拷貝附著到兩條X染色體中的一條。科學家認為，這些RNA分子停靠到其他分子上，然後使得染色體失活。由蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的遺傳學教授Anton Wutz領導的一組研究人員現在發現，幾種的這些失活分子。

為此，科學家使用小鼠幹細胞，它們表現出兩個特定的特徵。第一個是，它們像未受精的卵細胞(和體細胞相比)，每個染色體只具有一條。第二是，它們進行某種程度上的修飾，使得科學家能夠不斷產生Xist RNA。這會導致單個X染色體失活及細胞死亡，因為它們繼續存活所需的基因已經不再被讀取。

在使用這些幹細胞進行大規模篩選實驗中，科學家能夠確定哪些基因對X染色體失活很重要。這個實驗可能被認為是幹細胞的一種救援行動，否則這些細胞會死亡。特別是，研究人員使用病毒隨機損傷大量幹細胞的遺傳物質中的個別基因。病毒插入會導致Xist RNA(用於X染色體失活的分子)所需的基因被破壞，從而導致X染色體未滅活，相對來說，細胞就能夠存活下來。

因此，科學家能夠分離出存活的幹細胞，並確定7個對X染色體失活關鍵的基因，它們中有一個叫做Spen。科學家已經意識到，Spen產生一個能夠與RNA結合的蛋白質，並且基本上阻止基因被讀取。在其他實驗中，ETH的研究人員能夠表明，如果小鼠細胞缺乏Spen基因，負責改變染色體結構的蛋白質就不能夠有效地在X染色體上積累。ETH教授Wutz解釋說，需要進一步研究以了解這個機制是怎麼工作的，及最近發現的其他基因在這個過程中起什麼作用。

獲得這些研究結果得歸功於早期進展

「如這種的遺傳研究是非常複雜的，」Wutz說。例如，關於哺乳動物遺傳學的重要知識大都是來自於通過研究果蠅(一種常用於研究生物學，特別是遺傳學的模型)而得出的結論。然而，果蠅不同於哺乳動物，它們具有一個不同的染色體系統，沒有X染色體失活。因此，你不能夠利用果蠅遺傳學來找到哺乳動物中的候選基因。

近年來的研究進展使得他的這項研究成為可能。這種類型的研究現在成為可能得感謝具有一組染色體的幹細胞，其由Wutz五年前，那時他還在劍橋大學時構建出來的。

ETH的這項研究發表於最新一期的《Cell Reports》雜誌上。另一個英國研究組也在這個期刊上發表了其研究結果。他們使用不同的方法——RNA幹擾，發現幾個參與X染色體失活的基因，其中一個叫做Spen。

人類中存在的細微差異

在人類中也發現用於生產Xist的基因和Spen。因此，如Wutz所指出的，本研究為我們提供一些關於人體系統的深入見解——至少在理論水平上，小鼠遺傳學不能直接映射到人類。

幾年前，一個法國研究組推測，除了Xist，人類還有另外一個系統，確保男性中的單一X染色體和女性中的一條X染色體保持活性。而這個活化系統不存在於小鼠中。由於活化和失活因子的相互作用，因此人體的X染色體調節可能會比原以為的要複雜。遺傳學家想要詳細了解這些過程，仍然有大量的工作要做。

X染色體失活，其遺傳規律本身決定的

X染色體失活還能影響人的智力？

早在1972年，科學界就有人提出「智力基因在X染色體上」這樣的說法。隨著人類基因組計劃的蓬勃發展，越來越多的基因序列編碼也得到了破解。X染色體對大腦結構，認知能力，智力發育等等都有著巨大的作用。對於男孩來說，他們唯一的X染色體來源於母親，也就說，理論上講母親對兒子智力方面的遺傳作用也應該是巨大的，可為什麼智商的統計顯示卻沒有顯著的相關性呢？這又究竟是怎麼一回事呢？

這涉及兩個概念——X染色體失活(X-inactivation)和減數分裂中的染色體重組。對於男人來說，X染色體上編譯大腦結構的基因的任務很簡單，因為只有一份基因，只管拿去用就好了。而對於女人來說，她們有兩套X染色體，如果兩套都用來表達蛋白質，那就亂了套。所以選擇用哪一套去編譯大腦就成了個難題。在女人的細胞中，兩套X染色體會自動有一套失去活性，只留有一套解碼編譯蛋白質，這種兩條X染色體的其中之一失去活性的現象就被稱之為X染色體失活。現在普遍認為，在女性胚胎發育時期，大部分情況下，不同細胞中選擇哪一套X染色體失活的過程是隨機的。導致的結果是，大約一半的胚胎細胞來自於母親的X染色體失活，而另一半是來自於父親的X染色體失活。所以基因編譯大腦結構的時候，一會兒是來自於母親的X染色體起作用，一會兒卻是來自父親的起作用，隨機選擇，沒有固定的模式，將X染色體基因表達充分的混合。另外，人的X染色體裡還有大約15%的基因是可以逃過失活一劫的，這讓本來已經非常複雜的X染色體編譯更是變得撲朔迷離。

另一方面，減數分裂是一種特殊的細胞分裂方式。當性細胞分裂時，染色體只複製一次，細胞連續分裂兩次，這樣，細胞中染色體數目就減半了。女性有兩個X染色體，減數分裂的時候每個卵細胞裡就各分得一個X。細胞連續分裂的時候染色體還會發生多次重組，兩條來自父母的不同的X染色體會交換某些同一位置上的基因，這就讓最後每個卵細胞裡分到的X染色體裡混合了原本兩個X染色體的基因。

X染色體與Y染色體的不同命運

所以，當兒子從媽媽那裡得到X染色體的時候，是已經經過了減數分裂和染色體重組的結果，是混合了來自他外公外婆的X染色體的結果。而他的媽媽編譯大腦的時候用的X染色體也是被隨機選擇過的，母子倆的大腦結構可能完全的不一樣，也可能有很大的相似程度，最有可能的結果是既有一部分的相似度，又有一部分的不同。大自然的設計就是如此巧妙，儘管媽媽在兒子智力遺傳問題上要負主要責任，但是僅憑媽媽的聰明程度還是不能絕對預測出兒子智力水平的高低。

另外，由於基因印記(Genomic imprinting)的存在，有科學家猜測相對於母親通過X染色體遺傳智力，父親是通過常染色體表達基因從而影響子代的大腦和行為的。但由於基因印記很少見，只佔不足1%，這種影響並不顯著。

參考信息：

1、Asun Monfort, Giulio Di Minin, Andreas Postlmayr, Remo Freimann, Fabiana Arieti, Stéphane Thore, Anton Wutz.Identification of Spen as a Crucial Factor for Xist Function through Forward Genetic Screening in Haploid Embryonic Stem Cells.Cell Reports,DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2015.06.067

2、Gregg, Parental Control over the Brain, Science: Vol. 330 no. 6005 pp. 770-771, 2010

3、果殼：你的智商，怪你媽？

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