性染色体从遗传上决定了两性之间截然不同的生殖器官发育命运和成年个体的外形差异，展现出许多与常染色体截然不同的基因组特点和演化模式，一直是生物学家追踪的研究对象。经典的性染色体演化理论认为，性染色体通常起源于一对古老的常染色体，为了防止性别决定基因在性染色体之间发生交换，性别决定座位之间通常不发生同源重组。这种重组抑制的代价是雄性特异的Y染色体，或者雌性特异的W染色体发生不可逆的退化，丢失了绝大多数与性别无关的基因，成为“基因坟墓”。 现在这种人类和果蝇等模式动物中都报道过的性染色体演化的一般模式受到其他动物研究结果的挑战。
2021年1月7日，周琦实验室以浙江大学为第一或共同通讯单位在Nature, Genome Research和GigaScience在线分别发表鸭嘴兽、北京鸭和澳洲鸸鹋高质量染色体水平基因组和性染色体演化分析。其中发表于Nature的鸭嘴兽工作为周琦实验室与澳大利亚Adelaide大学Frank Grutzner团队、华大基因和丹麦哥本哈根大学张国捷团队共同合作完成，其他两项工作为周琦实验室独立完成。
图1 鸭嘴兽（照片由Doug Gimesy提供）
三项工作系统性刻画了动物性染色体令人眼花缭乱的多样性，并利用Hi-C技术在三维基因组的层面对性染色体的起源和演化有了新的认识。一般动植物只有一对性染色体，然而澳大利亚特有的鸭嘴兽不仅外形奇特，融合了鸟类、哺乳类和爬行类的特点（图1），更是惊人地有五对性染色体，且其性染色体在减数分裂过程中并非两两配对，而是通过首尾相接的配对模式形成链式结构（“meiotic chain”）（图2）。这种特殊的性染色体系统的基因组构成和起源一直不清楚，在2008年发表的鸭嘴兽基因组草图来源于不含有Y染色体的雌性个体，绝大多数的基因组序列也处于碎片化或者不清楚染色体位置的状态。张国捷、Frank Grutzner和周琦三方组成的国际合作团队利用最新的三代PacBio测序技术和10x, BioNano和Hi-C的手段，结合大量的原位杂交实验验证，从头组装完成了新的雄性的鸭嘴兽染色体水平的基因组，以及五对XY染色体的序列。研究发现，链式结构的最后一条Y染色体Y5并非和与其配对的X染色体X5序列相近，而是与染色体链的第一条X染色体也就是X1的序列同源。这一结果证实鸭嘴兽的性染色体祖先状态为由十条染色体形成的环状结构，因为性染色体演化过程中的重组抑制，最终形成了今天的链式结构。
图2 鸭嘴兽性染色体：由染色体环演化成染色体链
而另外两项鸟类性染色体的研究工作也展现了与哺乳类完全独立的性染色体演化模式。澳洲鸸鹋和北京鸭为两类广泛养殖的家禽, 其性染色体分别代表了鸟类性染色体演化的早期和中期，而人类、鸡、果蝇等物种的性染色体则代表了演化的晚期，即X和Y染色体或者鸟类中的Z和W染色体序列完全分化的状态。新组装的鸸鹋的基因组序列揭示其性染色体与其古老的常染色体祖先差别不大，超过2/3的区域依然保持着同源重组和高度序列相似性，即使是在重组已经抑制的区域，仍然保留了大量的有转录活性的基因（图3）。尽管如此，鸸鹋性染色体的染色体三维构象和染色体区域内的相互作用发生了变化，这一结果提示性染色体的演化，整体构象包括大范围空间结构域（“topologically associated domain”）的变化，可能是基因组序列和基因表达变化的前提基础，为性染色体退化的分子证据提供了新的认识。
图3 鸸鹋性染色体演化由三维空间构象的改变开始
综上，这三项研究揭示了动物性染色体演化的复杂性，远远超出了生物学家基于模式物种所获得的认知。新的基因组技术，将使得探索诸如鸭嘴兽，鸸鹋和北京鸭这些非模式物种的性染色体逐渐变得更有可能，将会给性染色体演化的理论范式带来新的认识，而鸸鹋或者北京鸭这些家禽的高质量基因组也将有利于其他研究者对开发这些物种的经济性状带来重要的参考。这三个项目受到国家自然科学基金委面上项目、优青项目和中英人才交流项目牛顿高级访问学者资助，鸭嘴兽项目被光明日报报道。
文章原文链接：
鸭嘴兽相关研究：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03039-0
北京鸭相关研究：https://academic.oup.com/gigascience/article/10/1/giaa142/6039068?searchresult=1
鸸鹋相关研究：https://genome.cshlp.org/content/early/2021/01/05/gr.271569.120.abstract