性染色體發(fā)育與性別決定的分子機(jī)制

性染色體發(fā)育與性別決定的分子機(jī)制

在動(dòng)物和家禽生產(chǎn)中，許多經(jīng)濟(jì)特征與性別直接相關(guān)，如蛋產(chǎn)量、乳液產(chǎn)量、生長速度等。在蛋雞的集約化生產(chǎn)中，人們希望得到盡量多的母雞；在乳牛場(chǎng)，人們希望得到盡量多的母牛；在肉雞生產(chǎn)中，由于公雞的生長速度、飼料利用率都明顯高于母雞，則又希望得到盡量多的公雞。因此，深入了解高等動(dòng)物的性別決定和性別分化機(jī)制，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行鑒定和控制，不僅在科學(xué)研究方面具有重要意義，在生產(chǎn)中也具有重要的實(shí)用價(jià)值。1某段某段哺乳動(dòng)物的性別是由性染色體決定的，這一問題早為人們所知，但決定性別的是整條染色體還是其中某一部分，很長一段時(shí)間人們尚不得而知。1990年SRY基因的發(fā)現(xiàn)是哺乳動(dòng)物性別決定領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，隨后其它相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)，使人類對(duì)性別決定的分子機(jī)制有了更為深入的了解，在此作一綜述。1.1y染色體上的基因20年代初，Painter發(fā)現(xiàn)男女在性染色體上存在著差異，男性的性染色體為XY，女性的性染色體為XX。經(jīng)減數(shù)分裂和染色體重組發(fā)現(xiàn)：來自雄性的X染色體與雌性的X染色體結(jié)合，發(fā)育成的后代為雌性，來自雄性的Y染色體與雌性的X染色體結(jié)合，發(fā)育成的后代為雄性，但當(dāng)時(shí)人們并不知道Y染色體決定性別。30年代，有人提了性別決定是由X染色體的數(shù)目決定的，即含有2個(gè)X染色體的個(gè)體發(fā)育成雌性，含有1個(gè)X染色體的個(gè)體發(fā)育成雄性，但后來發(fā)現(xiàn)了一例僅有一個(gè)X染色體的女性及具有兩個(gè)X染色體的男性。這兩例性染色體畸變的事實(shí)說明：人類的性別決定與X染色體的數(shù)量并無關(guān)系，而是依賴于Y染色體，從而推測(cè)在Y染色體上可能有某一個(gè)或幾個(gè)基因，決定著胚胎早期性嵴發(fā)育成睪丸。60年代前后人們發(fā)現(xiàn)Y染色體上有決定睪丸形成的基因，人類稱之為睪丸決定因子（testis-determiningfactor,TDF），在小鼠稱為睪丸決定Y染色體（testis-determiningYchromosomeTdy），并確定雄性決定因子存在于Y染色體的短臂上。1990年，Sincliar等通過定位克隆在Y染色體短臂上分離出一個(gè)基因，該基因與性別決定有關(guān)，稱為性別決定基因，因?yàn)樗挥赮染色體上，所以叫SRY(sexdeterminingregiononYchromosome,SRY（在小鼠等其它動(dòng)物稱為Sry),SRY基因成為人類TDF的最佳侯選基因，在胚胎發(fā)育早期決定性腺的分化及睪丸的形成。哺乳動(dòng)物不同物種SRY基因片斷的DNA堿基序列和同源程度是有差別的。1993年，Huasu等對(duì)SRY基因的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄及啟動(dòng)子進(jìn)行初步鑒定，發(fā)現(xiàn)人類SRY基因有一個(gè)長約850bp的外顯子，兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，其間有一個(gè)較長的編碼約120個(gè)氨基酸的開讀框架ORF(openreadingframe）。該開讀框架中有一段編碼79個(gè)氨基酸能與DNA結(jié)合的保守區(qū)，稱為HMG(highmobilitygroup)box，人的HMGbox與鼠的HMGbox在SRY中是高度保守的。這充分表明SRY基因產(chǎn)物-SRY蛋白具有與DNA結(jié)合并調(diào)控基因表達(dá)的作用。SRY作用于DNA小溝6個(gè)特定的堿基序列AATAAG，使DNA發(fā)生彎曲，將遠(yuǎn)距離的調(diào)節(jié)位點(diǎn)或啟動(dòng)子拉近，以便于調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。當(dāng)發(fā)生基因突變時(shí)SRY與DNA的結(jié)合能力喪失，因此就不能調(diào)控基因的表達(dá)。SRY基因的功能是在胚胎發(fā)育的特定時(shí)期發(fā)出信息致使性原基的支持細(xì)胞向賽氏細(xì)胞方向分化，進(jìn)而形成睪丸。該基因只在睪丸組織中表達(dá)，而在卵巢、腎中都不表達(dá)，這說明其表達(dá)有明顯的組織特異性，但成年睪丸中未發(fā)現(xiàn)SRY，說明它表達(dá)的時(shí)間是在性分化以前。1.2sox基因家族與sry基因的關(guān)系SRY基因發(fā)現(xiàn)后，人們利用與SRY的同源性，在小鼠、果蠅等其它真核生物中發(fā)現(xiàn)了其它含HMGbox的基因，其中與SRY基因有60%以上的同源性的基因叫做SOX基因（SRY-relatedHMGboxgene。目前在人類及小鼠中已發(fā)現(xiàn)SOX基因家族有30多個(gè)成員。與SRY不同，在各物種間，SOX基因家族在HMGbox區(qū)其氨基酸序列高度保守，在許多物種的睪丸及其它組織的分化發(fā)育中起重要作用，如SOX/1、2、3、11、30在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，而SOX4在T淋巴細(xì)胞和某些前B淋巴細(xì)胞中表達(dá),SOX10在外周神經(jīng)表達(dá)，SOX/4、5、6、9在成體睪丸中表達(dá)，SOX22在胎兒及成體多種器官中表達(dá)。在SOX家族中，與性別決定有關(guān)，最引人注目的成員是SOX3和SOX9。在目前已發(fā)現(xiàn)的SOX基因中，SOX3是唯一一個(gè)位于X染色體上的基因，同時(shí)也是與SRY(Sry）同源性最高的基因，在兩性的性腺及神經(jīng)組織的早期發(fā)育階段表達(dá)。SOX3基因序列在人、鼠、袋鼠這3種生物中完全相同，表現(xiàn)為100%的同源性。SOX3與SRY在功能及表達(dá)上并不是完全一致的，SRY僅在胚胎生殖嵴及成體睪丸中表達(dá)，直接參與睪丸發(fā)育，而SOX3在兩種性別中都能廣泛表達(dá)，如SOX3在人胚胎精索、腦及其它幾種成體組織中表達(dá)，在鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)及未分化的性腺中也均有表達(dá)。另外，SOX3基因在進(jìn)化過程中是高度保守的，而SRY(Sry）即使在親緣關(guān)系很近的物種間也有較大的差異。盡管如此，由于在SOX基因家族中SOX3與SRY的同源性最高，因而可以說明它們可能有一個(gè)共同的祖先基因，只不過在進(jìn)化過程中，功能上發(fā)生了分化。SOX9基是SOX家族中另一個(gè)非常受重視的基因。與其它SOX基因不同的是，SOX9含有兩個(gè)內(nèi)含子，是第一個(gè)被報(bào)道含有內(nèi)含子的基因。另外，SOX9還含有一個(gè)開讀框架，具有HMGbox和4個(gè)潛在的起始密碼子，編碼509個(gè)氨基酸，其中在104～184位的79個(gè)氨基酸構(gòu)成了HMGbox，與SRY基因的HMGbox的編碼序列的同源性達(dá)71%。鼠的SOX9定位于11號(hào)染色體上，該染色體與人的17q是同源的，表達(dá)時(shí)間也與人的相似。SOX9的基因結(jié)構(gòu)及編碼的產(chǎn)物與SRY基因很相似，目前認(rèn)為它可能調(diào)控下游基因的表達(dá)。其基因突變可導(dǎo)致骨骼形成異常綜合癥CD(CompomelicDysplasia)，該病癥的明顯特點(diǎn)是長骨彎曲不能形成軟骨，同時(shí)伴有性反轉(zhuǎn)。1.3其他基因?qū)π詣e決定的作用在性別決定過程中，除了SRY、SOX家族外，還有其它基因也對(duì)性別決定起作用，與X染色體連鎖的基因DAX-1、常染色體上的基因SF-1、WT1等。1.3.1f-1sterodicfactor11.3.2dax-1與睪丸發(fā)育DAX-1(Dosagesensitivesexreversal,Adrenalhypoplasia,X-linkedgene)是通過定位克隆AHC(adrenalhypoplasiacongenitia,HAC)基因而得到的，它具有介導(dǎo)卵巢發(fā)育的功能，其表達(dá)時(shí)間與SRY基因相同，小鼠大約在受精后11d表達(dá)。在雌性性別的胚胎尿殖嵴中均發(fā)現(xiàn)有DAX-1的表達(dá)，當(dāng)卵巢發(fā)育時(shí)，DAX-1的表達(dá)量不變，當(dāng)睪丸發(fā)育時(shí)，DAX-1的表達(dá)量則顯著下降，這說明DAX-1可能參與性別決定，并控制雌性的發(fā)育。DAX-1蛋白也屬于核激素受體蛋白，但由于它缺少典型的鋅指結(jié)構(gòu)，因而它不能直接與DNA結(jié)合，只能通過蛋白-蛋白之間的相互作用來調(diào)控基因的表達(dá)。敲除DAX-1的小鼠其性狀表現(xiàn)與敲除SF-1的小鼠很相似，這提示我們DAX-1與SF-1可能在同一途徑中發(fā)揮作用。WT1是一種調(diào)控尿殖嵴發(fā)育的基因，在胚胎發(fā)育早期尿殖管道的發(fā)育中起重要作用。在睪丸中，WT1只在足細(xì)胞中表達(dá)，在卵巢中，WT1只在顆粒細(xì)胞中表達(dá)，而這兩種細(xì)胞均能促進(jìn)生殖細(xì)胞的成熟。小鼠敲除WT1，則小鼠因缺少性腺而出現(xiàn)雄性發(fā)育反常，這說明WT1在調(diào)節(jié)雄性性腺發(fā)育過程中起一定作用。2w染色體的兩性特征性別決定（SexDetermination）是指雌雄異體生物決定性別的方式，是遺傳、環(huán)境和生理因素相互作用的結(jié)果。性別分化（SexDifferentiation)是指?jìng)€(gè)體性腺性別和表型性別的發(fā)育過程，也就是遺傳性別發(fā)育成表型性別的過程。與哺乳動(dòng)物一樣，家禽的性別由三個(gè)連續(xù)的步驟共同決定。第一個(gè)決定步驟稱為染色體性別決定，發(fā)生在受精的時(shí)候，受精完成，就決定了個(gè)體的性染色體的組成，性染色體的差異是決定遺傳性別的根本。第二個(gè)決定性別的步驟稱為性腺性別決定，是在胚胎早期發(fā)育階段，這一階段決定了生殖原基分化成為睪丸還是卵巢，當(dāng)然，這主要還是由性染色體的組成信息所控制。第三個(gè)步驟是次級(jí)性征的決定，主要是由性腺分泌的激素的情況來決定個(gè)體表現(xiàn)雄性還是雌性的外部特征。后兩個(gè)決定步驟都是發(fā)生在染色體性別決定之后，因此，狹義的來說，性別就是由染色體組成所決定的（性染色體決定學(xué)說）。然而，染色體的異常（如染色體上某些區(qū)域發(fā)生缺失或錯(cuò)配）會(huì)導(dǎo)致性腺性別的改變，這樣，次級(jí)性征也會(huì)發(fā)生變化，從而個(gè)體表現(xiàn)出與性染色體組合不吻合的性別特征。自Stevens首次指出雌雄個(gè)體中不同性染色體與性別的關(guān)系以來，大量的研究表明：絕大多數(shù)的動(dòng)物性別是由一對(duì)性染色體決定的。根據(jù)這一理論，一個(gè)個(gè)體的性別，取決于受精時(shí)雌雄配子所攜帶的性染色體的類型。早在30年代就有人報(bào)道：公雞具有兩條Z染色體，母雞只有一條。后來又證實(shí)，在正常情況下，雌禽性染色體組成是ZW（即雌性異配型），雄性為ZZ（雄性同配型），這與哺乳動(dòng)物雄性異配型恰恰相反。雖然公母禽正常性染色體均遵從ZZ、ZW這一規(guī)律，但在禽類群體中發(fā)現(xiàn)的一些畸型性別使人們懷疑Z和W染色體未必就是決定禽類性別的全部。一般說來，當(dāng)攜帶Z染色體的卵子與攜帶Z染色體的精子受精時(shí)，生殖原基就分化成為睪丸。而當(dāng)攜帶W染色體的卵子與攜帶Z染色體的精子受精時(shí)，生殖原基就分化成為卵巢。然而，McCarry和Abbott在調(diào)查家雞中整倍體和非整倍體與性別的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)：染色體的組成為AAZZ(A為常染色體組）或AAAZZZ的個(gè)體是雄性，而AAAZZW個(gè)體為間性，AAZZW的個(gè)體亦為間性。這似乎說明禽類的性別只和A與Z的比例有關(guān)，而與W染色體無關(guān)。如果W染色體果真與性別決定無關(guān)，那么在禽類中Z這樣的非整倍體就應(yīng)該為雌性，但所有的試驗(yàn)研究中，還沒有Z0型單倍體的報(bào)道，表明性染色體配對(duì)對(duì)個(gè)體的生存來說是至關(guān)重要的。Thorne等研究發(fā)現(xiàn)，ZZW型三倍體表現(xiàn)為間性，這種個(gè)體在孵化時(shí)表現(xiàn)為雌性，而在性成熟時(shí)就表現(xiàn)為雄性化。與之相對(duì)，ZZZ型三倍體則完全表現(xiàn)為雄性。這種結(jié)果表明，W染色體在性別分化過程中可能發(fā)揮著一種雌性化的作用。大量研究結(jié)果表明：常染色體數(shù)的增加使性染色體/常染色體的平衡趨于雄性，在禽類的常染色體上可能載有某些與性別有關(guān)的基因。在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)證實(shí)，Y染色體上存在特異的SRY基因（睪丸決定基因），該基因表達(dá)使生殖原基向睪丸方向發(fā)育，而該基因不存在時(shí)則向卵巢方向發(fā)育。推測(cè)禽類的W染色體上也可能存在類似的卵巢決定基因，但目前尚無卵巢決定基因存在的證據(jù)，也未在禽類性染色體上發(fā)現(xiàn)SRY的同源基因。然而，Tone等對(duì)家禽的DNA用Xhol酶切獲得了W染色體上稱之為Xhol家族的0.6kb和1.1kb特異片段，其中0.6kb序列拷貝數(shù)多達(dá)14000個(gè)個(gè)，為家雞所特有。進(jìn)一步研究證實(shí)，這一重復(fù)序列是一段以大約21bp為單位的34個(gè)重復(fù)，總長度為717bp的重復(fù)序列。該特異性的發(fā)現(xiàn)已使它實(shí)際用于雞胚的性別鑒定成為可能。3fpsd系統(tǒng)在性別決定和性別分化中的作用人類和其他哺乳動(dòng)物的性別決定機(jī)制是以SRY為主導(dǎo)，其它多個(gè)基因參與調(diào)控的機(jī)制，目前我們對(duì)SRY及其它相關(guān)基因有了初步的認(rèn)識(shí)，但仍有許多問題需要我們進(jìn)一步探討和研究。家禽的性別決定尚未顯示出象哺乳動(dòng)物發(fā)現(xiàn)SRY基因那樣的前景。不過也有人認(rèn)為，SRY可能是一個(gè)轉(zhuǎn)錄輔助因子，具有選擇性地改變通過這些因子接近染色質(zhì)內(nèi)靶位點(diǎn)的能力，這與性別分化更直接的物質(zhì)可能是支配性激素合成酶有相似之處。在家禽，通過誘導(dǎo)性反轉(zhuǎn)控制性別的可能性比哺乳動(dòng)物大，對(duì)禽類性別決定和性別分化的深入研究是進(jìn)行家禽性別控制的基本前提。在性別決定和性腺、腎上腺的發(fā)育中具有一定的作用。研究發(fā)現(xiàn)SF-1具有DNA結(jié)合區(qū)和配體結(jié)合區(qū)，屬于核激素受體家族。SF-1的作用：一是調(diào)節(jié)性腺和腎上腺中的基因表達(dá)，二是調(diào)節(jié)MIS(Mulleriasinhibitinysubstance）基因的表達(dá)。MIS是睪丸的一種產(chǎn)物，它能抑制