Y染色体

Y染色体は、1905年にブリンマー大学のネッティ・スティーブンスがミールワーム（Tenebrio molitor）の研究中に性決定染色体​​として特定した。エドモンド・ビーチャー・ウィルソンは同年、半翅目昆虫の研究で同じメカニズムを独自に発見した。スティーブンスは、染色体は常にペアで存在し、小さい方の染色体（現在は「Y」と名付けられている）は、1890年にヘルマン・ヘンキングによって発見されたX染色体のペアであると提唱した。彼女は、クラレンス・アーウィン・マックラングの以前の考え、すなわちX染色体が性を決定するという考えが誤りであり、性決定は実際にはY染色体の存在または非存在によるものであることに気づいた。1920年代初頭、テオフィラス・ペインターは、ヒト（および他の哺乳類）の性はX染色体とY染色体によって決定されることを明らかにした。^{[ 4 ]}

染色体が「Y」と名付けられたのは、単にヘンキングの「X」に続いてアルファベット順で並べるためである。^{[ 5 ] [ 6 ]} Y染色体が文字「Y」に似ていることから名付けられたという考えは誤りである。すべての染色体は通常、顕微鏡下では不定形の塊として見え、有糸分裂中にのみ明確な形状をとる。この形状はすべての染色体において漠然とX字型である。有糸分裂中のY染色体には非常に短い2本の枝があり、顕微鏡下では融合しているように見え、Y字型の下降部として見えるのは全くの偶然である。 ^{[ 5 ]： 65-66}

ほとんどの真獣類哺乳類は、各細胞に性染色体を1対しか持っていません。オスは通常、Y染色体とX染色体を1本ずつ持ち、メスは通常、X染色体を2本持っています。哺乳類では、Y染色体には表現型的にオスの発達を促すSRY遺伝子が含まれています。Y染色体の違いは、非典型的な性発達と生殖能力の問題の両方に関連しています。

ヒトでは、X染色体が1本多い人はクラインフェルター症候群を発症することが多く、Y染色体が1本多い人はヤコブ症候群を発症することが多い。これは、Y染色体上の遺伝子が一般的に男性の表現型の発達を引き起こすためである。^{[ 7 ]}その他の染色体異常には、X染色体が3本ある場合（またはトリソミーX）、およびX染色体が1本しかなくY染色体が全くない場合（モノソミーXまたはターナー症候群）がある。XY核型を持つ人の中には、 SRY遺伝子やMAP3K1などの遺伝子の変異により表現型が女性になる人もいる。^{[ 8 ]}

多くの変温脊椎動物は性染色体を持たない。^{[ 9 ]}これらの種に性別がある場合、性別は遺伝的ではなく環境によって決定される。一部の種、特に爬虫類では、性別は孵化温度に依存する。^{[ 10 ]}一部の脊椎動物は雌雄同体であるが、雌雄同体の種は最も一般的には連続的であり、生物は生涯の異なる時点で性別を切り替え、雄または雌の配偶子を生成するが、両方を同時に生成することはない。これは、同じ生物が雄と雌の配偶子を同時に生成する同時雌雄同体とは対照的である。同時雌雄同体の種のほとんどは無脊椎動物であり、脊椎動物の中で同時雌雄同体は魚類のいくつかの目においてのみ発見されている。 ^{[ 11 ]}

X染色体とY染色体は、祖先の動物が対立遺伝子変異（いわゆる「性遺伝子座」）を発達させ、この対立遺伝子を持つだけで表現型的に雄になるようになった^ときに、常染色体と呼ばれる一対の同一の染色体^から進化したと考えられている。 [ ^{12 ] [ 13 ] [ 14 ]}時間が経つにつれて、2つの染色体は別々のXとYの構成に分岐し、Y染色体は元の遺伝子の多くを失い、性分化に特に関与する少数の遺伝子を獲得した。^{[ 15 ]}

最近まで、哺乳類のX染色体とY染色体は3億年ほど前に分岐したと考えられていました。^{[ 16 ]}しかし、2008年に発表されたカモノハシのゲノムを解析した研究^{[ 17 ]}では、単孔類が他の哺乳類から分岐した1億6600万年以上前にはXY性決定システムは存在していなかったことが示唆されました。 ^{[ 18 ]}この真獣類のXYシステムの年代の再推定は、有袋類と真獣類の哺乳類のX染色体にある配列がカモノハシと鳥類の常染色体には存在しないという発見に基づいています。^{[ 18 ]}以前の推定は、カモノハシのX染色体にこれらの配列が含まれているという誤った報告に基づいていました。^{[ 19 ] [ 20 ]}

ほとんどの染色体は減数分裂中に組み換えを起こす。しかし、X染色体とY染色体は、偽常染色体領域（PAR）と呼ばれる共通領域で対合する。^{[ 21 ]} PARではX染色体とY染色体の間で頻繁に組み換えが起こるが、^{[ 21 ]} Y染色体の他の領域では組み換えが抑制されている。^{[ 14 ]}これらの領域には、男性の性分化に特に関与する遺伝子が含まれている。^{[ 22 ]}領域的な抑制がなければ、遺伝子は組み換えによってY染色体から失われ、不妊症などの発達上の問題を引き起こす可能性がある。^{[ 23 ]}

Y染色体の大部分で組換えが起こらないため、組換えは祖先をたどるために使用される数学モデルを複雑にするため、 Y染色体は人類の進化を研究する上で有用なツールとなる。 ^{[ 24 ]}

ある推定によると、ヒトのY染色体は、その存在期間中に元々の1,438個の遺伝子のうち1,393個を失っており、この1,393個の遺伝子の喪失を3億年にわたって直線的に外挿すると、100万年あたり4.6個の遺伝子の喪失率となる。^{[ 25 ]}この速度で遺伝子の喪失が続くと、今後1,000万年以内に、つまり現在の推定年齢1億6,000万年で半分の時間で、機能する遺伝子を持たないY染色体、つまりY染色体が完全に機能を失うことになる。^{[ 14 ] [ 26 ]}比較ゲノム解析によると、多くの哺乳類種がヘテロ接合性の性染色体で同様の機能喪失を経験していることが明らかになっている。変性は、3つの共通の進化要因、すなわち高い突然変異率、非効率的な選択、および遺伝的浮動により、すべての非組換え性染色体の運命である可能性がある。^{[ 14 ]}

ヒトとチンパンジーのY染色体は30%の差があり、ヒトゲノムの中で最も急速に進化している部分の一つです。^{[ 27 ]}しかし、これらの変化は非コード配列に限られており、ヒトとチンパンジーのY染色体の比較（2005年に初めて発表）によると、ヒトとチンパンジーが600万～700万年前に分岐して以来、ヒトのY染色体は遺伝子を失っていないことが示されています。^{[ 28 ]}さらに、2012年の科学報告では、ヒトがアカゲザルから2500万年前に分岐して以来、失われた遺伝子は1つだけだと述べられています。^{[ 29 ]}これらの事実は、線形外挿モデルに欠陥があることを直接的に証明しており、現在のヒトのY染色体はもはや縮小していないか、線形外挿モデルで推定された100万年あたり4.6遺伝子よりもはるかに遅い速度で縮小していることを示唆しています。

すでに述べたように、Y染色体は他のヒト染色体のように減数分裂中に組み換えを起こすことができません。しかし、2003年にMITの研究者たちは、分解のプロセスを遅らせる可能性のあるプロセスを発見しました。彼らは、ヒトY染色体が回文塩基対配列を使用して自身と「組み換え」を起こすことができることを発見しました。^{[ 35 ]}このような「組み換え」は遺伝子変換と呼ばれます。

Y染色体の場合、回文配列は非コードDNAではなく、これらのヌクレオチド配列には男性の生殖能力に重要な機能遺伝子が含まれています。配列ペアのほとんどは99.97%以上同一です。遺伝子変換が広く行われていることが、Y染色体が遺伝的ミスを修正し、比較的少ない遺伝子の完全性を維持する能力に関係している可能性があります。言い換えれば、Y染色体は1本なので、相同染色体ではなく、Y染色体自体に遺伝子の複製を持っています。エラーが発生した場合、Y染色体は自身の他の部分をテンプレートとして使用してエラーを修正することができます。^{[ 35 ]}

ヒトのY染色体の類似領域をチンパンジー、ボノボ、ゴリラのY染色体と比較することで、この発見が確認された。この比較により、ヒトと非ヒト霊長類が分岐した500万年以上前に、同じ遺伝子変換現象が起こっていたことが明らかになった。^{[ 35 ]}

減数分裂中に形成される遺伝子変換領域は長く、約2,068塩基対で、GまたはCヌクレオチドの固定に大きく偏っている（GCバイアス）。^{[ 36 ]}遺伝子変換に先行する組換え中間体は、クロスオーバー組換えの代替経路をほとんど取らないことがわかった。^{[ 36 ]}ヒトのYY遺伝子変換率は約1.52×10⁻⁵変換/塩基/年である^。 [ ^{37 ]これら}の遺伝子変換イベントは、ゲノムの完全性を維持するという減数分裂の基本的な機能を反映している可能性がある。

いくつかの理論によれば、Y染色体の退化の最終段階では、他の染色体がかつてY染色体と関連していた遺伝子や機能を次第に引き継ぎ、最終的にこの理論の枠組みの中でY染色体は完全に消失し、新しい性決定システムが生じる可能性がある。^{[ 14 ]}

ネズミ科とキヌゲネズミ科の姉妹科に属するいくつかの齧歯類は、XYシステムが以下のように改変された段階に達している^{[ 38 ] [ 39 ] 。}

• トランスコーカサスモグラネズミEllobius lutescens、ザイサンモグラネズミEllobius tancrei、および日本のトゲネズミTokudaia osimensisとTokudaia tokunoshimensisは、Y 染色体とSRY を完全に失っている。^{[ 14 ] [ 40 ] [ 41 ]} Tokudaia属は、祖先的に Y 染色体上に存在していた他のいくつかの遺伝子を X 染色体に移動させている。^{[ 41 ]} Tokudaia属とEllobius lutescensの両方の性別はXO 遺伝子型 (ターナー症候群) を持っているが、^{[ 41 ]} Ellobius tancrei はすべてXX 遺伝子型を持っている。^{[ 14 ]}これらの齧歯類の新しい性決定システムは不明である。
• ウッドレミングMyopus schisticolor、ホッキョクレミングDicrostonyx torquatus、およびグラスマウス属Akodonの複数の種は、X 染色体と Y 染色体のさまざまな変化により、祖先の XX 雌に加えて、一般的に雄をコードする遺伝子型 XY を持つ繁殖可能な雌を進化させてきた。^{[ 38 ] [ 42 ] [ 43 ]}
• クリーピングハタネズミ（Microtus oregoni）では、雌はそれぞれ1つのX染色体しか持たず、X配偶子のみを生成し、雄（XY）はY配偶子、または不分離によって性染色体を持たない配偶子を生成する。^{[ 44 ]}

齧歯類以外では、クロキバノロ（Muntiacus crinifrons）は、祖先の性染色体と常染色体の融合によって新しいX染色体とY染色体を進化させた。^{[ 45 ]}

現代のデータは、Y染色体が消滅するという仮説に疑問を投げかけている。^{[ 16 ]}この結論は、アカゲザルのY染色体を研究した科学者によって得られたものである。アカゲザルとヒトのY染色体をゲノム的に比較したところ、ヒトとアカゲザルは3000万年前に分岐したことを考えると、違いはごくわずかであることが分かった。^{[ 46 ]}

哺乳類以外では、線虫のほとんどの種のように、Y染色体を失った生物もいる。しかし、Y染色体が完全に消失するためには、性別を決定する別の方法（例えば、X染色体と常染色体の比率によって性別を決定するなど）を開発する必要があり、雄の機能に必要な遺伝子は他の染色体に移動する必要があった。^{[ 16 ]}一方、現代のデータは、Y染色体の進化の複雑なメカニズムと、Y染色体の消失が保証されていないという事実を示している。

フィッシャーの原理は、有性生殖を行うほとんどすべての種が性比1:1である理由を概説している。WDハミルトンは、1967年の論文「異常な性比」 ^{[ 47 ]}の中で、オスとメスの生産コストが等しいという条件の下で、次のような基本的な説明を与えた。

1. 仮に、男児の出生数が女児の出生数よりも少ないとしよう。
2. 生まれたばかりのオスは生まれたばかりのメスよりも交配の機会に恵まれやすく、そのためより多くの子孫を残すことが期待できる。
3. したがって、遺伝的に男の子を産みやすい親は、平均よりも多くの孫を持つ傾向がある。
4. そのため、男性を生み出す傾向に関わる遺伝子が広がり、男児の出生がより一般的になる。
5. 男女比が1対1に近づくにつれて、オスを産むことによる利点は薄れていく。
6. 男性を女性に置き換えた場合も同様のことが言える。したがって、1：1が均衡比率となる。

他の生物は鏡像の性染色体を持っています。同質の性別はオスで、2つのZ染色体を持ち、メスは異質の性別で、Z染色体とW染色体を持っています。^{[ 51 ]}例えば、ZW性決定システムは鳥、ヘビ、チョウに見られます。メスはZW性染色体を持ち、オスはZZ性染色体を持っています。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}

日本のイシダイなど一部の種では、XYシステムがまだ発達中で、XとYの間で交叉がまだ起こり得る。雄特異的領域は非常に小さく、必須遺伝子を含まないため、悪影響なくXX雄とYY雌を人工的に誘導することも可能。^{[ 54 ]}

カモノハシなどの単孔類は、4対または5対のXY性染色体を持ち、各対は相同領域を持つ性染色体から構成される。隣接する対の染色体は部分的に相同であり、有糸分裂中に鎖状構造を形成する。^{[ 19 ]}鎖状構造の最初のX染色体は最後のY染色体とも部分的に相同であり、これは、常染色体から新たな断片が加わるなど、歴史的に大規模な再編成が起こったことを示している。^{[ 55 ] [ 56 ]：図5}

カモノハシの性染色体は鳥類のZ染色体と強い配列類似性を示しており、高い相同性を示している^{[ 17 ]。}また、他のほとんどの哺乳類の性決定に中心的な役割を果たすSRY遺伝子は、カモノハシの性決定には関与していないようである^{[ 18 ] 。}

ヒトゲノムプロジェクトの終了時（そして多くの更新後）でも、2021年になってもY染色体のほぼ半分が未配列のままでした。HG002（GM24385 ）ゲノムの別のY染色体は2022年1月に完全に配列決定され、新しい「完全ゲノム」ヒト参照ゲノム配列CHM13に含まれています。^{[ 59 ]}ヒトY染色体の完全な配列決定により、62,460,029塩基対と41個の追加遺伝子が含まれていることが示されました。^{[ 59 ]}これにより3000万塩基対が追加されましたが、^{[ 59 ]} Y染色体のサイズは個人によって大きく異なり、4520万から8490万塩基対まで変動することが発見されました。^{[ 62 ]}

2022年以前はヒトY染色体の配列のほぼ半分が不明であったため、微生物のシーケンスプロジェクトで汚染としてスクリーニングすることができませんでした。その結果、NCBI RefSeq細菌ゲノムデータベースには、誤ってY染色体データの一部が含まれています。^{[ 59 ]}

Y染色体に関連する疾患は、通常、染色体数の異常である異数性を伴う。

ヒトの遺伝子系図学（遺伝学を伝統的な系図学に応用したもの）において、Y染色体に含まれる情報は特に重要である。なぜなら、他の染色体とは異なり、Y染色体は父系でのみ父親から息子へと受け継がれるからである。ミトコンドリアDNAは、息子と娘の両方に母親から受け継がれるため、同様の方法で母系をたどるために用いられる。

男性型の神経発達がY染色体関連遺伝子発現の直接的な結果なのか、それともY染色体関連アンドロゲンホルモン産生の間接的な結果なのか、現在研究が進められている。^{[ 98 ]}

1974年、女性の血液循環中の胎児細胞から男性染色体が発見された。^{[ 99 ]}

1996年に、男性胎児前駆細胞が出産後、母体の血流中に最長27年間生存する可能性があることが発見された。^{[ 100 ]}

シアトルのフレッド・ハッチンソンがん研究センターで2004年に行われた研究では、男児を産んだことのない女性の末梢血中に見られる男性染色体の起源が調査されました。合計120人の被験者（息子を産んだことのない女性）が調査され、そのうち21%の末梢血中に男性DNAが存在することがわかりました。被験者は症例歴に基づいて4つのグループに分類されました。^{[ 101 ]}

• A群（8%）は雌の子孫のみを産んだ。
• B群の患者（22%）は、過去に1回以上の流産歴があった。
• 患者グループC（57％）は、医学的な理由で妊娠を中絶した。
• D群（10％）は妊娠経験がなかった。

この研究では、女性の 10% はこれまで妊娠したことがなく、血液中の Y 染色体がどこから来たのかという疑問が生じていることが指摘されています。この研究は、男性染色体マイクロキメリズムの発生の可能性のある理由として、以下のいずれかを示唆しています。^{[ 101 ]}

• 流産、
• 妊娠、
• 行方不明の男性の双子、
• 性交による可能性もある。

同じ研究所で行われた2012年の研究では、亡くなった女性の脳の複数の領域でY染色体を持つ細胞が検出された。^{[ 102 ]}