性染色体组装与分析揭示超基因驱动鳜科鱼类性染色体起源与更替
性染色体组装与分析揭示超基因驱动鳜科鱼类性染色体起源与更替
《Advanced Biotechnology》：Assembly and analysis of Sinipercidae fish sex chromosomes reveals that a supergene drives sex chromosome origin and turnover
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时间：2025年05月29日
来源：Advanced Biotechnology
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为解析脊椎动物性染色体起源与演化机制，研究人员以鳜鱼（Siniperca chuatsi）为模型，结合 Pacbio、Hi-C 及 Illumina 测序技术组装性染色体，通过 GWAS 等确定 2.0 Mbp 性别决定区（SDR），发现 Y 特异性基因amhy驱动性别决定，为理解性染色体动态演化提供新范式。
在生命科学领域，性染色体的起源与演化一直是备受关注却又充满争议的科学难题。传统观点认为，性染色体由一对常染色体分化而来，伴随重组抑制、基因丢失和重复序列积累，最终形成异形性染色体。然而，鱼类作为脊椎动物中性别决定系统最丰富的类群，其性染色体多为同形且演化时间较短，为破解这一谜题提供了独特视角。鳜科鱼类作为重要的经济淡水鱼类，其性别决定机制和性染色体演化过程尚不明确，尤其是缺乏高质量的性染色体组装和关键性别决定基因（SDG）的鉴定，限制了人们对脊椎动物性染色体早期演化的理解。
为填补这一研究空白，中山大学生命科学学院、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）等机构的研究人员开展了深入研究。他们以雄性鳜鱼（Siniperca chuatsi）为研究对象，利用 Pacbio 长读长测序、Hi-C 染色质构象捕获技术和 Illumina 短读长测序，成功组装出高质量的染色体水平基因组，首次解析了鳜鱼的 X 和 Y 染色体结构。通过全基因组关联分析（GWAS）和覆盖度分析，鉴定出一个约 2.0 Mbp 的性别决定区（SDR），并发现 Y 染色体特异性的抗缪勒氏管激素基因（amh）重复序列amhy，其编码截短的 AMH 蛋白。功能研究表明，amhy可能是雄性性别决定基因。进一步研究发现，在近缘物种中，amhy的蛋白编码序列高度保守，提示其可能作为超基因驱动性染色体的起源与更替。该研究成果发表在《Advanced Biotechnology》，为揭示脊椎动物性染色体的动态演化机制提供了关键证据。
研究中用到的主要关键技术方法包括：Pacbio 长读长测序技术用于基因组组装，Hi-C 技术用于染色体构象捕获和染色体水平组装，Illumina 测序用于数据校正和变异检测；GWAS 用于定位性别决定区；CRISPR/Cas9 基因编辑技术用于amhy的功能验证；转录组分析和双荧光素酶报告基因实验用于基因表达和功能机制研究；系统发育分析和分子钟分析用于探讨基因和物种的演化关系。样本来自雄性和雌性鳜鱼个体，包括肌肉组织和性腺组织。
2.1 染色体水平基因组组装与性染色体鉴定
研究人员通过多组学技术组装出雄性鳜鱼的高质量基因组，大小为 750.13 Mbp，包含 24 条染色体，其中 X 和 Y 染色体长度分别为 19.98 Mbp 和 20.46 Mbp，为最短染色体对。X 和 Y 染色体近 90% 序列保守，仅在初始约 2.0 Mbp 区域存在差异，该区域包含 10 个 Y 特异性基因和 28 个 X 特异性基因，其中amhy仅存在于 Y 染色体。基因共线性分析显示，amhy周围存在基因重复和倒位事件，重复序列主要富集在着丝粒附近。
2.2 性别决定区（SDR）的鉴定与特征分析
通过对 8 雄 8 雌个体的全基因组重测序，GWAS 分析显示性相关 SNP 显著富集在 Y 染色体 0.5-1.9 Mbp 区域，尤其是amhy附近。雌性个体在该区域覆盖度极低，进一步确认了 SDR 的位置。SDR 内存在大量基因重复，如 nlrc3 和 nlrp3 基因家族，同时富集 DNA 转座子、长末端重复反转录转座子（LTR）和长散在元件（LINE）。amhy在所有雄性个体中特异性存在，与性别高度关联。
2.3 amhy对雄性性别决定的必要性
早期性腺转录组显示，性别相关基因在孵化后 15 天（dah）开始差异表达，amhy在雄性性腺中特异性表达，峰值出现在 13 dah。CRISPR/Cas9 敲除amhy导致雄性个体性腺发育为卵巢形态，雌性标记基因（foxl2、cyp19a1a）表达上调，雄性标记基因（dmrt1、gsdf、amh）表达下调。过表达amhy则诱导雌性个体性腺向雄性发育，证实amhy是雄性性别决定基因。
2.4 AMHY 的蛋白进化与生理活性
amhy与amh相比，编码序列存在大片段缺失，CDS 相似性仅 52.52%，但保留了完整的 TGFβ 和 AMH 结构域。三维结构分析显示，AMHY 的 N 端缺失导致结构差异，但仍能通过 Amhr2/SMADs 信号通路抑制cyp19a1a启动子活性，且具有多种调控机制，表明其功能发生了适应性演化。
2.5 鳜科鱼类性染色体的多样性
GWAS 分析显示，鳜属（Siniperca）物种如S. scherzeri的性染色体为 Chr24，携带amhy，而少鳞鳜属（Coreoperca）的C. whiteheadi性染色体为 Chr11，未发现 Y 特异性基因。amhy在鳜属物种中蛋白序列完全保守，起源早于物种分化，提示其在性染色体更替中起关键作用。
2.6 amhy的演化历史
amhy起源于约 44-51 百万年前的amh基因重复，定位于着丝粒附近，经历了松弛的纯化选择。在鳜属物种分化前，amhy已完成复制和易位，随后由于重组抑制和重复序列积累，驱动 Y 染色体扩展。
2.7 性染色体起源与更替的机制
研究提出，amhy的重复和易位至原 Y 染色体，引发重组抑制和重复序列（尤其是 LINE）积累，导致 Y 染色体扩展和性染色体分化。鳜科中不同属的性染色体差异表明，性染色体更替由amhy的复制和易位驱动，从不稳定系统向稳定系统过渡。
该研究首次在鳜科鱼类中实现性染色体的高质量组装，鉴定出关键性别决定基因amhy，揭示了其作为超基因驱动性染色体起源与更替的机制。研究结果不仅为鱼类性别决定机制和性染色体演化提供了新模型，也为脊椎动物性染色体演化的经典模型提供了实证支持，对理解生物性别分化的分子基础和适应性演化具有重要意义。此外，研究中开发的技术方法和鉴定的性别决定基因，为鳜鱼全雌育种和水产养殖提供了理论依据和技术靶点。
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