Y染色體的倔強進化史

在人們普遍關注疫情發展的2月底，一則從警隊傳出的消息突然霸佔了熱搜。塵封28年之久的「南醫大姦殺案」終於有了端倪。3月5日，南京市人民檢察院發布公告，對公安機關提請逮捕的麻某鋼涉嫌強姦、故意殺人一案，依法作出批准逮捕決定。

圖片來源：南京市人民檢察院

很多人把該案的偵破與曾經轟動全國的「白銀殺人案」相類比：都是惡性姦殺案件，都是有些年頭的懸案，都是用新技術偵破……

確實，兩個案件偵破中的關鍵技術都是Y-STR家系排查（Y-chromosome short tandem repeat）。實際上，這個技術早就在全國很多案件的偵破中發揮了巨大的威力，多次破獲懸案。

咱們今天就來了解了解這個技術。

Y染色體的前世：對基因重組的倔強抗爭

一切還得從Y染色體說起。

咱們都說「男女有別」，從基因層面上講，這個區別就在Y染色體上。人類有23對染色體，其中22對為常染色體，1對是性染色體。女性的1對性染色體是XX，男性的是XY。

從顯微鏡下看，Y染色體只有X染色體個頭的1/3，像個矮冬瓜。這可能是個巧合，一對育齡夫婦裡，Y染色體的個數，也是X染色體的1/3。特別需要說明的是，Y染色體並不是個頭最小的染色體，第21號和第22號染色體比Y染色體更小。

圖片來源：《大科技（科學之謎）》2011年10期39頁

Y染色體最大的特點，就是傳男不傳女。（廢話！）

自然界中分雌雄的動植物有不少，形式多樣，原理複雜，目前主流觀點認為決定性別的有環境因素和遺傳因素。有些爬行類動物，產下的卵不分雌雄，周圍的溫度決定下一代的性別，這就是環境決定。遺傳決定性別的動物，一般都有專門的性染色體：哺乳動物中主要是XY系統，為雄異配型；鳥類和蛇類主要是ZW系統，是雌異配型；還有一種苔蘚中常見的UV系統，是單倍體生物特有的性別決定系統。

人類是XY系統的雄異配型， Y染色體是在漫長的進化過程中從X染色體變異而來。最初的研究認為Y染色體大概在3億年前進化出來。不過，最近的研究表明，人類現在的XY性別決定系統大約在1.66億年前出現。

在Y染色體出現後的上億年時光裡，進化的車輪滾滾向前。從外形上看，人類的相貌有了很大變化；從微觀的性染色體看，Y染色體有哪些變化，又有哪些作用呢？

Y染色體做的最大的事情，也許就是對抗進化中的基因重組。

我們知道幾乎所有生物的同源基因，在形成生殖細胞的時候都要發生基因重組。這是增加基因多樣性的必要手段，也是「龍生九子，各有不同」的原因，不但能夠降低有害突變保留的機率，而且還可以維持遺傳的完整性。可Y染色體好不容易才從X染色體中進化出來，肯定不能再發生重組。不然豈不是開歷史倒車？

而且，X染色體和Y染色體之間的基因重組已被證實對下一代有害，會導致子代雄性丟失Y染色體的必需基因，也有概率讓子代雌性多出原本只會出現在Y染色體上的非必需基因。

為了對抗基因重組，小個頭的Y染色體想出個好辦法——在內部進行Y-Y基因重組。在不斷的內部重組之後，對維持雄性性別有利的基因就逐漸在Y染色體的性別決定基因附近聚集，該區域的基因也發展出新的重組抑制機制以保護這個特定區域。Y染色體不斷體沿用這種策略進化，抑制Y染色體上的基因與X染色體上的基因發生重組。

到今天，Y染色體把能重組的部分基本都丟光了。剩下的濃縮後的6000萬鹼基精華裡，約有95%是決定男性特徵的特異區域（the male-specific region of the Y-chromosome，MSY），高度封閉，無法與X染色體重組。

Ｙ染色體自身重組互換示意圖（圖片來源：彭珠黎. 人類基因組Y染色體參考序列的SSRs序列不均勻性分布分析 , 2018）

基因重組中的匹配可以修復基因的錯誤，如果不進行基因重組，靠什麼來糾錯呢？2003年，研究者在Y染色體的特異區域發現了8個迴文結構。經研究，迴文結構是Y染色體自我重組的關鍵，能夠修復突變。

圖片來源：《Nature》官網截圖

怎麼樣，別看Y染色體個頭小，在進化中掌握的本領可不少。

Y染色體的大用處：破案！

Y染色體的非重組區有很多存在鹼基差異的多態性位點（polymorphic site）。自從1985年發現第一個位點以來，人們已經找到了將近300個這樣的位點。大體上，這些位點可以分為兩類：一類是低突變率的雙等位基因位點，一類是突變率較高的多等位基因位點。前者體現的是Y染色體的封閉，後者體現的就是變化了。

組成DNA的鹼基有四種，A（Adenine，腺嘌呤）、T（Thymine，胸腺嘧啶）、G（Guanine，鳥嘌呤）、C（Cytosine，胞嘧啶）。但在突變率低的雙等位基因位點中，為了更好地保持低變異，只選用兩種鹼基來構成。不止是在Y染色體上，在人類的可遺傳變異中，這種方式也很常見。這就好比計算機語言一樣，只有0和1兩種編碼，所以不太容易出錯。這種編碼方式，表現出來的多態性，只涉及單個鹼基的變異，所以也叫單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）。

Y-STR技術的CNKI檢索結果

除了進入公眾視野的大案之外，也不乏二十年以上的懸案：

1995年，某旅館內發生一起4人死亡的惡性兇殺案，公安機關一直努力偵破，但未能取得進展。2017年，在案發現場菸蒂上的DNA中重新提取出23個常染色體STR數據和39個Y-STR數據。經全國聯網比對，發現距離案發現場250公裡的劉姓家族與其初步吻合。後對整個家族進行詳細排查，對家族適齡男性均採樣對比Y-STR和常染色體STR，最終抓捕了一名案犯。該案犯隨後交代另一案犯，懸案告破。

現在「以Y染色體找家族，以常染色體找個人」已經成為越來越受到重視的偵查模式。在採樣檢驗後，通過Y-STR家系比對，先確認嫌犯的家族；然後對整個家族進行排查，從容差最小的分支開始，既比對Y染色體，又比對常染色體，最終鎖定案犯。

這種技術的未來：會消失嗎？

不過，如果Y染色體沒有了，豈不是Y-STR技術就沒有用了？

所謂有得必有失，封閉的Y染色體，帶來了很多男性特有的遺傳性徵。比如色盲和血友病在男性身上比較常見。因為這類疾病的隱性基因位於X染色體上，女性有兩條X染色體，只要其中一條為顯性，疾病就不會出現。但對於男性而言，可就沒有這種補救措施了。從這個意義上講，男性的X染色體在獨自駕馭人體，而女性的X染色體，在副駕駛上還有個X染色體。

人與人之間需要交流，至少可以相互提醒，染色體之間也是一樣的。Y染色體封閉了自己，只進行自我內部重組，就容易丟三落四了。短期看，基因的丟失會造成男性不育；長遠看，Y染色體上的基因在不斷減少。Y染色體今天個頭這麼小，就是在進化中不斷丟失基因導致的，有人甚至預測，在兩千萬年之內人類Y染色體上的基因將全部消失。

當然，人類能站上食物鏈的頂端，統治這個星球，基因肯定是無比強大的。Y染色體真要消失，也不是那麼容易的事。

首先，從人類與黑猩猩的對比研究看，Y染色體的基因並非線性減少，而是越來越慢。一項關於人類與近親黑猩猩的Y染色體比較研究表明，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。另一項人類與遠親恆河猴Y染色體的比較研究表明，在最近2500萬年中，人類Y染色體的特異區域中基因丟失僅限於最新形成的第5進化層，其他4個進化層儘管主要結構差異很大，但在這期間沒有丟失任何一個基因。這說明Y染色體特異區域的基因丟失已經暫停了2500萬年。

其次，雖然Y染色體上基因少基數小，但在自我重組中非常活躍，進化特別快。別看個頭小，Y染色體靠自己的勤奮，彌補了其他不足。還是拿近親黑猩猩來做參考。人類與黑猩猩的基因差異只有2%，但在Y染色體上，則有1/3的特色基因不同，功能基因更有53%不同。有研究者專門分析了可能的原因：

Y染色體參與精子產生，而精子處於生殖適應的最前沿，變化非常快；

Y染色體在細胞分裂時幾乎不發生DNA交換，保留了變化；

精子儲存在高度氧化性質的睪丸中，Y染色體經常發生基因易位；

人類一夫一妻的婚配製度，保證了不同男性的基因可以遺傳，保留了更多變化。

在上述原因綜合作用下，Y染色體基因的突變率是其他基因的4.8倍。

第三，迴文結構帶來的自我修復，也能夠維持Y染色體的穩定性和完整性，減少基因丟失。

迴文序列示意圖和Y染色體上的8個迴文序列P1-P8（圖片來源：蔣虎. 人類性染色體DNA迴文序列分析 , 2011）

其實，就算Y染色體真的消失，人類也會分男女，只不過會使用新的性別決定系統而已。在一些哺乳動物中已經出現Y染色體完全消失的實例，比如鼴形田鼠以及日本發現的兩種刺鼠，它們的性別決定系統都是 XO，這說明原本屬於Y染色體的性別決定功能，已經被其他基因取代。

所以，Y-STR家系排查技術的前途不是個問題。還有人擔心，Y-STR家系只能針對男性，對女性該怎麼辦呢？其實，在可預見的一段時期內，女性犯罪還不是社會的主要問題。截至2003年，中國95.6%的犯人都是男性。儘管女性罪犯的比例在最近20年有所上升，但罪犯中男性依然佔九成以上 。Y-STR就抓主要矛盾的主要方面即可，反正還有其他的偵查手段嘛。

結語

人類在理解和認識自然，也在理解和認識自己。對自己的認識，本質上是個科學問題，但帶來的技術革新往往出人意料。這種陳年懸案，誰知道會在這麼多年後真相大白呢？

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