浙江大学生命科学研究院周琦教授的实验室，一个以孵蛋为“生”的地方。实验室每年“消化”400个左右的蛋，其中夏天200个甲鱼蛋，冬天200个鸸鹋蛋，它们为科研人员提供着探究生命奥秘的一手素材。2020年12月，周琦实验室的研究论文发表于Nature, Genome Research和GigaScience，分别报道了关于鸭嘴兽、北京鸭和澳洲鸸鹋高质量染色体水平基因组和性染色体的演化分析。2021年3月，Genome Research又以封面论文的形式刊登了该实验室的关于鸸鹋基因组的研究发现。
本期青稞有约，我们邀请周琦教授讲述他“孵蛋”执念背后的研究理想、研究方法和研究发现。
什么在决定性别？90%的物种还不清楚
1、请谈谈您的研究兴趣，其主要涉及的科学问题是什么？
周琦：性别，男和女，雄和雌是演化生物学乃至整个人类社会感兴趣的课题。很多生物的两性之间有着天壤之别：比如一些种类的鸭子，因为外表差异太大，同一种鸭子的雌雄个体甚至长期以来被误认为是两个物种。从生物的角度来说，两性的差异是构成我们这个世界如此丰富多样的一个至关重要的原因。
那么，两性和两性在外貌、行为等方面的差异是怎么形成的？背后的生物学基础是什么？这是我们理解生物多样性不能回避的一个重要问题。我的研究兴趣是性别的决定和性染色体的演化，实验室以鸟类，爬行类和果蝇为研究对象，来回答以下科学问题：性别决定基因是如何产生的？性染色体为什么又是如何抑制重组的？决定性别的Y 或 W染色体是怎么发生功能退化的？
图：不同物种有不同的性别决定机制
在探索这些问题的过程中，我发现整个学界除了对一些模式动物比如人和果蝇的性别决定有所了解，90%以上的动植物的性别决定机制和性染色体都不清楚。这就好像你突然知道前方必然有一个巨大的未发掘的宝藏，即使不知道要花多少时间和精力找到，这个找的过程也是非常让我觉得充满好奇和兴奋的。
2、性别是在精子和卵子结合的瞬间决定的吗？关于性别决定，我们已经知道哪些，还不知道的有哪些？
周琦：在许多动植物中，性别在精卵结合的瞬间就决定了， 但是自然界许多物种又不是， 比如迪士尼动画片《海底总动员》里面的主角小丑鱼很特别，一大群中最大的那个是雌的，排第二的是雄的，其他性别都没分化。如果母鱼死掉，则排名第二的又变成雌的。再如我们经常吃的黄鳝，从胚胎长到性成熟的时候是雌的，产卵以后又会变成雄的，黄鳝这种现象在其他鱼类中也有报道，叫做顺序性雌雄同体，武汉大学的周荣家老师在这方面有研究。
图：《海底总动员》剧照
还有比如大部分的龟鳖类，鳄鱼等等，它们的受精卵是依据孵化的环境温度决定的，所以许多物种连性染色体都没有（但仍然有性别），精卵结合以后依据环境因子再决定性别。这些物种性别决定的分子机制都是不清楚的。最近万里学院的葛楚天研究员就对巴西彩龟的温度决定性别机制做了一系列挺出色的工作。这些国内学者逐渐在性别决定领域不断涌现的研究成果也让我挺兴奋的。
关于人类，经过几十年的研究，尤其早期性逆转病人的发现，很早就克隆了人类Y染色体上的SRY基因，是开启雄性发育命运的决定性的最早开始表达的基因。以前学界认为，在这个雄性决定基因表达之前，某种意义上说，胚胎有一种“默认”的发育命运是发育成雌性。这主要是由于二战结束后不久法国学者Alfred Jost的实验：他把染色体是XY的兔子胚胎中的还没发育完全的性腺用手术去掉了，结果发现这样的兔子发育出来了雌性的生殖系统。当然后面一些人类雌性性别决定基因的发现，比如Foxl2,使得人们逐渐抛弃了“没有雄性决定基因就变成了雌性”这种过气的观点。因为雌性的卵巢除了没有雄性决定基因的表达，还依赖许多雌性特异的基因表达。
图：果蝇（Drosophila miranda）的性染色体，绿色荧光显示的是Y染色体，染色体结构非常紧致，大量基因已经失活；红色荧光标注的是X染色体，基因依然都能活跃表达，染色体结构非常松散。
性染色体主要有XY（比如哺乳动物和果蝇的性染色体），ZW(比如鸟类和家蚕的性染色体)，UV(比如海藻的性染色体)等类型。这些字母只是根据性染色体在雌雄之间的特征和它们决定性别的方式命名的，并不意味着，比如哺乳动物和果蝇的性染色体有任何直接的联系。像我前面提到的，我们现在只对一些模式动物，比如人类，果蝇和线虫的性别决定通路比较清楚，对许多其他物种，无论是由环境因子决定性别的（比如龟，鳄鱼，一些蜥蜴），还是有性染色体的（比如鸟类，我们熟悉的中华鳖，许多蛇等等）都不清楚它们是如何决定性别的。这里涉及的一个更令人困惑的问题是，既然性别这么重要，为什么不同的物种要演化出这么多方式来决定，这个只有了解了更多物种的性别决定机制才能解答。
性染色体的演化像一部电影
3、所以您的研究对象主要是鸭嘴兽、鸸鹋、北京鸭等不同物种的性染色体？这些物种的性之间有何关联？
周琦：性染色体的演化是研究两性差异的核心生物学问题之一。生物在几亿年的演化过程中独立形成了不同的性染色体，许多物种的性染色体比如像果蝇和人类的性染色体已经非常古老了，像人的性染色体起源于1.7亿年以前，因此X和Y染色体分歧已经非常大。Y染色体由于不能进行同源重组，除了雄性有关的基因，其他几乎所有的基因全都丢失了，无法提供它与X染色体分道扬镳如何演化的信息。比如人的X染色体有1500多个基因，而Y染色体只有50多个基因。因此可以认为女性其实比男性多了1000多个拷贝的基因。
但是许多物种比如鸸鹋的性染色体演化得很慢，ZW性染色体处于演化的早期，北京鸭是中期，鸡的性染色体像鸭嘴兽，人类，果蝇一样代表了性染色体演化的末期。因此研究鸸鹋这些特别的物种，可以推测性染色体演化整个过程所发生的事件，像还原电影里不同时间的片段一样把它们串起来。鸭嘴兽就更特别，这个下面会讲到。
总体来说，性染色体诞生以后，在一些物种中都发现会发生退化，比如人类和果蝇的Y染色体，鸡的W染色体等等，但是许多物种比如青蛙，罗非鱼等它们的性染色体又没有出现退化，这可能与这些物种容易发生性逆转有关。
4、有关性染色体的演化,有一句话说Master change, slaves remain，应该怎么理解这句话？Master和Slave分别指什么？
周琦：Master是指性别决定通路的上游决定基因，一般像人类Y染色体上的SRY基因，是开启雄性发育命运的决定性的最早开始表达的基因（master sex determining gene）。Slaves是指这些基因的下游基因，因为前期的一些工作观察到，性别决定通路的中游或者下游的基因在不同的物种间非常保守，上游基因却各不相同，比如有一个基因DMRT1，在人类，鸡，果蝇和家蚕中都被证明与雄性决定有关，但是DMRT1的上游性别决定基因又各不相同。所以叫Master change, slaves remain.
5、你们主要通过什么方法来探究上述问题？
周琦：主要的研究方法是新一代的基因组测序和分析技术。所有生物的基因组都像是一本未解的天书，这本天书编码了生物的表型和行为特征。
图：周琦实验室参与的B10K项目第一阶段中，负责了性染色体的研究分析，总共分析了17种鸟类的性染色体。图为鸟类学家Jon Fjeldsa为项目所做的水彩画。
打个比方来说，以前的测序技术只能“一目一行”地读出来，现在，过去的五年内，现在的测序技术发展到了可以“一目十行”地读取天书的信息。说专业一点，就是以前的测序技术一次只能知道基因组100-300个碱基（就是类比天书里的单个文字），现在一次最多能知道50000个碱基，所以就可以更快更容易地把这些碱基串成连续的“章节”或者“段落”，也就是染色体的序列。而“3D基因组技术”， 就相当于在读取了“天书”内容的基础上，进一步揭示不同“章节”，“段落”是怎么划分的，内部和相互之间又是怎么联系的。也就是揭示染色体在细胞核里怎么通过不断地折叠，形成空间构象的。这种空间构象对于调控基因的复制和表达是非常重要的。现在新的研究方向都会更多地关注这种空间上的信息。
多样性的三个层次
6、去年12月发表在Nature, Genome Research和Giga Science的三项研究，分别有怎样的研究发现？
周琦：这三项研究总体来说揭示了性染色体在不同物种间令人眼花缭乱的多样性。这种多样性分几个层面：第一是性染色体配对的方式，通常我们认为染色体是像一对筷子一样配对的，但我们发现鸭嘴兽的性染色体在祖先里面配对形成了一个环状结构，然后现今又是像链条一样首尾相接地配对。第二就是性染色体的祖先染色体非常多样，例如鸭嘴兽尽管也是哺乳动物，然而其性染色体所起源的古老的染色体祖先与其他哺乳动物的性染色体祖先没有任何关系。第三，就是性染色体的类型多样，比如哺乳动物都是XY型的，鸟类都是ZW型的。
图：鸸鹋蛋与小鸸鹋
多样性这个问题只能通过研究多个像鸭嘴兽、鸸鹋这样发生例外的物种，才能总结出规律。比如我们在鸸鹋中的性染色体研究就显示，性染色体演化的早期，性染色体在细胞核内折叠的方式发生了改变，这个过程可能进一步影响了性染色体上基因的序列和表达情况。这样的结果在人类里面是无法研究获得的，因为人类的性染色体已经过了可以追溯这些重要变化的阶段，Y染色体只剩大量的重复序列了。
图：鸭嘴兽宝宝（b'y Jillianne Hamilton）
因为是第一次在基因组序列上证明鸭嘴兽的祖先的性染色体有这样的环状结构（之前在植物中也观察到过），我们还不太清楚具体的功能。但是有假设说这种环状结构可以抑制环内部的染色体重组，因此一定程度上保证了染色体之间的遗传多样性。
7、有关鸭嘴兽的研究是中澳两国的三组科研人员共同合作完成的，请问三方是如何分工合作的？
周琦：中方的科研人员主要有中国科学院和华大基因的张国捷团队完成项目的统筹，基因组数据的组装和收集、注释；我们团队完成了所有性染色体方面的生物信息学分析和三维基因组方面的分析；澳方团队主要提供了鸭嘴兽的样品，后期细胞学实验的验证，以及有关鸭嘴兽特异丢失的基因（ 比如与牙齿发育有关的基因）或者获得的基因的分析。
图：一次日常的线上讨论
在合作过程中由于疫情的关系，我们之间的交流几乎都是通过邮件和线上讨论完成的，一直到项目结束我负责这个项目的学生都毕业离开实验室了三方人员都没有坐在一起喝过一杯咖啡。这可能是当下甚至未来很长一段时间国际合作的一个常态。
8、关于鸸鹋的研究，为性染色体退化的分子证据提供了新的认识，这个证据是什么？
周琦：这个主要的证据就是鸸鹋的雌性特异的W染色体在空间结构上相比常染色体或者配对的Z染色体变得更紧致了，一般来说这样的话，基因就不太容易转录出来，也就是基因的表达量会降低，也就是我们所说的“退化”了。
9、关于鸸鹋的研究还成为了今年3月的封面论文，能否介绍一下封面图片表达了什么？
图：Genome Research杂志封面
周琦： 我们这项研究主要发现是，鸸鹋和鸵鸟等大型鸟类相比其他鸟类物种基因组演化的速率慢很多。这可能是由于它们相同单位时间内的代谢速率要比其他物种慢，代际时间要更长。这也表现在它们的性染色体上，我们通过封面设计体现出来：鸸鹋所牵引的黄色DNA链呈松散的常染色质状态，而其他鸟类围绕的是紧致的异染色质。另外两条DNA链分别呈现Z和W字母形态，意为鸟类的ZW性染色体。封面下方描绘的示意性的细胞核也体现了常染色质和异染色质在细胞核中的差异分布：蓝色紧致的异染色质线团倾向于分布接近细胞核膜处，而常染色质倾向于分布接近细胞核核仁。
Y染色体退化，不意味着男人会消失
10、为什么说人类对于性染色体的认识才刚刚起步？
周琦：因为现在深入研究过的性染色体仅限于少数的模式物种，而许多物种，比如我们最近的另外一项工作，非常近缘的两种罗非鱼类，它们的性别决定机制都完全不同，性别决定基因也与人类的性别决定基因没有直接关系，所以说我们对性染色体和性别决定基因的认识才算刚起步。
具体还有很多重要问题：比如温度决定性别的物种它们性别决定机制是如何，前一年葛楚天教授研究的巴西彩龟，一种由温度决定性别的龟类，就给了我们很重要的线索。还有为什么不同的物种需要演化出这么多不同的性别决定机制，促使它们快速变换的分子演化机制是什么。研究清楚这些机制，就对于应用到农业生产（例如人为地大规模控制产生长肉多的性别，或者产蛋的性别），疾病防控（比如只产生不吸血的雄性蚊子）等等都有重要的基础研究价值。
11、 有一种说法是人类的Y染色体将会消失，这是为什么？这是否意味着男人会消失？
周琦：因为Y染色体在不断地退化，可以预计在几百万年以后（显然我们不用担心这个），Y染色体上的基因全部丢失了，Y染色体本身也会丢失。在一些鼹鼠里面就没有Y染色体了。男性不会消失，因为会有新的一对性染色体或者性别决定机制形成。
12、能否谈谈您实验室的下一步研究设想？
周琦：实验室还有很多有意思的在研究的问题，比如鸟类翅膀是如何发育的，果蝇的左右脑功能有什么差别，但最主要的还是围绕少数几个物种研究它们的性别决定机制。
周琦 @ 青稞有约
浙江大学生命科学研究院 教授 资深研究员
研究方向：
鸟类性别决定机理的研究；果蝇小RNA尤其是piRNA在Y染色体退化中的角色；鸟类性染色体的演化历史
实验室网站：
http://qizhoulab.net/
