男多女少,是X染色体惹的祸?

  一直以来,人们都在为越变越短的Y染色体操心,认为基因的不断丢失会最终导致男性“消失”在这个世界上。但研究证明,这种操心有点儿杞人忧天,Y染色体的基因丢失只出现在生命演化的早期,近2500万年以来,Y染色体都稳定得很。

  虽然暂时不用担心Y染色体,但这次X染色体又出了问题。日前发表在美国《国家科学院学报》的文章指出,“X染色体失活不足”导致了试管婴儿性别比例失衡——

  自然受孕出生的婴儿,男女比例基本平衡,相差不到1%,而使用体外受精技术出生的试管婴儿中,男孩要比女孩多10%左右。同样,由体外受精获得的动物后代,也存在雄性多于雌性的现象。

  是什么原因导致了试管婴儿的性别比例失衡?国际胚胎生物学界多年来一直在寻找答案。

  “问题出在X染色体上,X染色体的失活不足,导致了体外受精后代雄性多于雌性。”中国农业大学的研究小组历时5年找到问题的关键——利用小鼠的实验模型,他们首次揭示了试管婴儿性别比例失衡的机制,相关论文3月8日在美国《国家科学院学报》(《PNAS》)在线发表。

  体外受精过程中X染色体到底怎么了?性别失衡意味着什么?这项以小鼠为实验对象的研究给我们带来了哪些启示?

  3月18日,研究负责人、中国农业大学动物科技学院田见晖教授在接受媒体采访时,详细解释了“X染色体失活不足”的来龙去脉。

问题就出在X染色体上

  首先我们来了解一组数据,自然受孕出生的男女比例大约为1.05∶1,来自澳大利亚和新西兰一项调查显示,试管婴儿的男女出生比例为1.28∶1,而英国的调查结果为1.17∶1。

  “猪牛等动物也存在体外受精后性别失衡问题。”田见晖说。体外受精是否真的会造成性别比例失衡,研究者们决定用小鼠来进行实验验证。

  为了使数据真实、方法可信,田见晖和他的研究小组通过统计学方法推算样本数量,尽可能扩大实验规模,在验证后代性别时,不仅仅通过对性腺形态的肉眼观察,还使用了DNA原位检测等分子生物学手段。

  他们发现,在实验组中,雄性小鼠的出生比例为57.17%,而对照组的比例为50.89%,体外受精确实让小鼠的出生性别比例显著失衡。

  问题已经明确,研究者们开始寻找背后的真相,“我们认为,体外受精胚胎的发育过程中,‘X染色体失活’这个环节出了问题,这或许就是导致性别失衡的根本原因。”田见晖说。

什么是“X染色体失活”

  “X染色体失活”对于大多数人来说是一个陌生的概念,但对于每一位女性,它真实发生在你的生长发育过程中。让我们一起来了解一下这个奇妙的过程。

  中学的生物课本告诉我们,女性的性染色体是XX,男性的性染色体是XY。如果对X和Y这两条染色体“找不同”,我们会发现,它们的形状不同、大小不同,所携带的基因数量也不同,而且差别巨大。这个差别有多大?科学家们已经数过了,人类的X染色体能够携带1098个蛋白质编码基因,而可怜的Y染色体“丢三落四”只剩下了54个蛋白质编码基因。

  “如果两条X染色体上的基因都发挥作用,女性的基因数量就会比男性多出一倍,那真的就要变成另一个物种了。”田见晖解释说,在人类胚胎发育阶段,女性的一条X染色体会发生“高度凝集”,使得它所携带的绝大部分基因被“沉默”,科学家们把这种现象称为“X染色体失活”。这样女性的XX染色体和男性的XY染色体基因表达的数量才基本趋于一致。如果这条X染色体不失活,它所携带的基因出现过度表达,将会导致胚胎发育异常甚至死亡,科学家认为“这是哺乳动物进化过程中达到雄性和雌性基因表达平衡的一种重要方式”。

  在某种意义上,体外受精技术打破了这种平衡。研究者发现,在体外受精产生的小鼠胚胎中,一些雌性胚胎由于X染色体失活不足,本该沉默的基因没有完全沉默,导致这些胚胎无法存活。他们推断这可能是出现性别失衡的主要原因。

“X染色体失活”为什么会“不足”

  找到了“X染色体失活不足”这个主要原因,让田见晖的研究前进了一大步。接下来,他们还要继续探究“X染色体失活”为什么会“不足”。

  科学家们的研究证实,在X染色体的失活过程中,一个名叫“Xist”的基因发挥着关键作用。“它可以把X染色体包裹起来并‘指挥’相关的蛋白质使X染色体高度凝集,进而实现基因表达沉默。”田见晖解释说,“如果Xist基因没能尽职尽责,对X染色体的包裹不完全,就会导致我们说的X染色体失活不足。”

  田见晖和他的研究小组猜想,在体外受精过程中,一些因素影响了Xist基因的表达,引发连锁反应,使得雌性胚胎出现更多的发育异常,最终表现为后代性别比例失调。

把X染色体失活“不足”的部分“补起来”

  找到了Xist基因,并知道了是它的表达受到抑制,研究者们希望能够通过调控这个基因,来扭转体外受精后代性别比例雄性多雌性少的局面。

  “鉴于Xist发挥作用具有位置和剂量特性,对它的直接调控很难实现。”田见晖说,“但幸运的是,我们找到了它的‘领导’Rnf12。”

  环指蛋白12(Rnf12)是Xist的上游调控因子,它可以恰当地调节Xist的表达剂量和作用的位置,进而在X染色体失活过程中发挥关键作用。研究者们采用实验方法上调Rnf12表达,结果证实可以补偿Xist表达,校正了部分雌性胚胎失活不足和发育异常的问题,最终实现了性别比例的平衡。

  此外,“我们还很幸运地找到了视黄酸这一物质,并添加到胚胎植入前的培养基中。”田见晖说,这种维生素A的细胞内代谢产物,被证实可以通过调控Rnf12激活Xist表达,进而校正X染色体失活不足。

  在此基础上,研究人员通过在胚胎培养基中添加视黄酸,成功将体外受精小鼠出生时的雄性比例由57.17%校正到52.03%,接近正常范围。

  田见晖认为,这项研究不仅揭示了体外受精后代性别比例失衡的内在机制,并且通过针对性地调整体外受精的培养体系,解决了体外受精后代性别失衡的问题。