果蠅的性別決定

1、果蠅的性別決定BIOX.CN 2005-7-7 11:19:37 來源：生命經(jīng)緯果蠅的性別分化需要很多調(diào)控環(huán)節(jié)，我們先看一下總的途徑，然后再介紹細(xì)節(jié)。果蠅早期胚胎中性指數(shù)(sex index)（X：A）決定了性別的分化。與性指數(shù)相關(guān)的性別決定途徑是由Thomas Cline Baker(1984,1993)及其同事們建立的的。在些途徑中有主調(diào)節(jié)基因和系列性別特異基因，它們涉及到RNA的不同剪接，產(chǎn)生不同的雌性和雄性的轉(zhuǎn)錄因子。在此調(diào)節(jié)途經(jīng)的第一步是由性指數(shù)(X染色體的條數(shù)和常染色體組數(shù)之比) X：A的比例決定的。性指數(shù)使轉(zhuǎn)錄因子具有特殊的濃度。而這種特殊的濃度充當(dāng)了主調(diào)節(jié)基因的開關(guān)。當(dāng)開關(guān)打開

2、時(shí)RNA能正常剪切而產(chǎn)生下一步調(diào)節(jié)的活性轉(zhuǎn)錄因子，從而激活雌性特異基因，使胚胎發(fā)育為雌體；若開關(guān)是關(guān)閉的，那么因剪接的方式不同選擇性地產(chǎn)生了另一種轉(zhuǎn)錄因子，它能激活性特異基因，使胚胎發(fā)育為雄體。在討論性別決定調(diào)節(jié)途徑的細(xì)節(jié)之前，我們先來了解一下性別特異突變。性別轉(zhuǎn)換基因tra（transformer）發(fā)生突變使得X：A比率為雌性（X：A=1）的果體發(fā)育成雄性表型，但核型并不改變。雙重性別基因dsx（doublesex,）突變使個(gè)體變成為間性，而不受性染色體的控制。還有一種突變會(huì)導(dǎo)致一種性別致死，這就是性別致死Sxl（Sex-lethal）基因，其突變有的等位基因是隱性的，可特異導(dǎo)致雌性致死；而

3、另一些等位基因是是顯性的，可導(dǎo)致雄性致死。無女兒da（daughterless,）基因是母體基因，對(duì)性別決定具有母體效應(yīng)，da純合時(shí)母體不產(chǎn)生“女兒”，而“兒子”發(fā)育卻正常，這是由于其產(chǎn)物對(duì)Sx1的早期表達(dá)起著正調(diào)控作用。在卵產(chǎn)生時(shí)da若無活性，那么在受精后無論X染色體數(shù)量如何，都不能激活Sx1，結(jié)果所有的子代都向雄性方向發(fā)育，但XX個(gè)體因X-連鎖基因的劑量比XY多了一倍，因劑量不適而死亡。特大剛毛基因emc（extramacrochaetae）也是母體效應(yīng)基因，其作用與da相反，是  Sx1的負(fù)調(diào)因子，emc的突變將抑制雄性方向的發(fā)育。合子中染色體上的da和emc兩個(gè)基因并不影響合

4、子本身的性別發(fā)育。(一) 果蠅Y染色體的功能果蠅的Y染色體與精子發(fā)生有關(guān)，而尚未發(fā)現(xiàn)它在性別決定中有任何功能。X/O型的果蠅可以發(fā)育為雄體，Y染色體在體細(xì)胞中可以丟棄，但在初級(jí)精母細(xì)胞中都處于活躍狀態(tài)，X/O雄蠅精子發(fā)生受到嚴(yán)重的干擾，產(chǎn)生的精子無活動(dòng)能力。Y 染色體有6個(gè)雄性可育性基因（長(zhǎng)臂4個(gè)，短臂2個(gè)），而在X染色體上無相應(yīng)的等位基因。這6個(gè)基因只轉(zhuǎn)錄，不翻譯，每個(gè)基因轉(zhuǎn)錄成一種燈刷環(huán)，這種燈刷環(huán)是一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，它們和一些蛋白質(zhì)結(jié)合形成不同形態(tài)的RNP，分別命名為套索狀，棒錘狀，管帶狀，絲狀，球果樣結(jié)構(gòu)。一個(gè)或多個(gè)燈刷燈刷環(huán)失活都會(huì)引起雄性不育?？梢娛蔷影l(fā)生不可缺少的。其特點(diǎn)是（1）不

5、翻譯；（2）RNA很大，約為1500kb，（3）有Ys和Ya兩種序列。Ys是特異序列，約有2002000個(gè)拷貝；Ya是Y-裝配順序（y-associated sequence），一個(gè)家族只出現(xiàn)在一個(gè)環(huán)上，長(zhǎng)約400b;(4)能形成二級(jí)結(jié)構(gòu)；（5）能富集蛋白，形成RNP。Y 染色體對(duì)某些蛋白起著調(diào)控作用。 X/0雄果蠅精集中有3種蛋白（包括微管蛋白）的量明顯下降，而這些蛋白都不是Y染色體編碼的。微管蛋白的mRNA在x/0雄果蠅中并不減少，可見Y染色體可能在微管蛋白翻譯水平上起到調(diào)節(jié)的作用。X染色體上的星狀（stellate）位點(diǎn)編碼P17蛋白，在X/0雄蠅的精母細(xì)胞中該蛋白由于過多合成而形 成結(jié)

6、晶，Y染色體對(duì)其有調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)位點(diǎn)不在燈刷環(huán)上，而在可育位點(diǎn)K12-K13之間。有部分Y-RNA存在核內(nèi)，在精子細(xì)胞中仍存在這些RNA，它可以與DNA互補(bǔ)，通過反義抑制進(jìn)行調(diào)節(jié)。Y-RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是結(jié)合蛋白所需，而且這些蛋白可能和凝聚與去凝聚的過程有關(guān)。從上面的介紹不僅是了解了果蠅Y染色的功能，而且使人們不難理解了為什么果蠅的性別決定似乎完全和Y染色體無關(guān)。(二) 性指數(shù)的作用果蠅雖然是XY型的動(dòng)物，但Y染色體并不起作用，而是取決于性指數(shù)。性指數(shù)決定性別的機(jī)制是建立于卵巢和早期合子中合成的基因產(chǎn)物的互作。這些基因分為三類，即母體效應(yīng)基因，其中da,her(hermaphrodite兩性的)

7、為正調(diào)控因子，emc, gro(groucho喜怒的)為負(fù)調(diào)控因子。合子中表達(dá)的X-染色體上的基因和常染色體上的基因，它們的產(chǎn)物相互作用，為Sx1的激活提供信號(hào)。目前已搞清了其中一部分細(xì)節(jié)。母體基因產(chǎn)物和部分合子基因產(chǎn)物是HLH（helix- loop-helix）家族中的轉(zhuǎn)錄因子。它們可以是同二聚體，也可以是異二聚體。HLH蛋白可能受到其它不同二聚體蛋比例的調(diào)控，即分子因素和分母因素。在母體基因和合子基因的相互作用中，X-染色體基因產(chǎn)物的作用稱為分子因素（numerator elements），而常染色體基因產(chǎn)物的作用稱為分母因素（denominator elements）。雌性（XX）的X

8、-連鎖的分子因素是雄性個(gè)體（XY）的二倍，而在二性中分母因素的產(chǎn)物量是相同的，這樣雌，雄的X：A的比率分別為1.0和0.5。性指數(shù)決定性別的機(jī)制是將合子中分子因素在兩性中的量的差別轉(zhuǎn)變?yōu)镾x1基因轉(zhuǎn)錄的“全”或“無”二個(gè)迥然不同的質(zhì)的效應(yīng)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的分子因素有 sis-a（sisterless-a無姐妹-a）。Sis-b,sis-c,run( runt侏儒基因)，分母因素有dpn(deadpan 無表情的)。其中Sis-a蛋白含鋅指結(jié)構(gòu)；Sis-b、Dpn 、Da、Emc蛋白均可形成HLH結(jié)構(gòu)。一種可能是Sis-b和其它的分子基因產(chǎn)物或與Da蛋白，或相互間，或與常染色體的分母基因以濃度依賴性方

9、式形成HLH二聚體。其中某些異二聚體將作為Sxl基因的激活轉(zhuǎn)錄因子，而有的可能以其它方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。分子基因編碼蛋白產(chǎn)生得越多，那么由它們形成的激活二聚體的水平了越高。在雌果蠅（X:A=1.0）中有足夠的激活二聚體去打開Sxl基因，而在雄果蠅中（X:A=0.5）轉(zhuǎn)錄因子的濃度就不足以激活開關(guān)基因Sxl。分母基因的產(chǎn)物和起負(fù)調(diào)控的Emc可能與母體效應(yīng)基因產(chǎn)物，與分子基因產(chǎn)物形成沒有功能的二聚體。(三)Sxl基因是主開關(guān)在果蠅囊胚形成前或形成時(shí)，通過對(duì)性指數(shù)的計(jì)量決定是否打開Sx1基因。Sx1基因是性別決定的總開關(guān)，它能永遠(yuǎn)保持在“開”和“關(guān)”的狀態(tài)。當(dāng)X:A轉(zhuǎn)錄因子濃度達(dá)到一定時(shí)（X:A=1.0）

10、，Sxl基因處在“開”的狀態(tài)。而在雄體中X:A=0.5轉(zhuǎn)錄因子未能達(dá)到一定的域值，Sx1基因處于關(guān)閉狀態(tài)。Sx1基因有早期和晚期兩個(gè)啟動(dòng)子（PL和PE）和8個(gè)外顯子，在第2個(gè)外顯中有翻譯的起始密碼子AUG，而在第3和第8個(gè)外顯子中有終止密碼子UGA。早期起動(dòng)子是調(diào)節(jié)型的，由母體效應(yīng)基因，分子、分母因子共同調(diào)控。這個(gè)啟動(dòng)子開始的轉(zhuǎn)錄是選擇性的，即可以跳過第3個(gè)外顯子，這樣也就避免了中途的終止密碼子，使翻譯可以一直達(dá)到最后一個(gè)外顯子中的UGA，產(chǎn)生有活性的Sx1蛋白（350aa 組成）。囊胚形成后X:A轉(zhuǎn)錄因子和母體效應(yīng)基因的產(chǎn)物已不復(fù)存在，PL再已不能被激活，而晚期啟動(dòng)子PE是組成型表達(dá)的，無需

11、母體基因及分子、分母因子的調(diào)控、激活，所以可在兩種性別的囊胚形成后開始表達(dá)，Sx1蛋白含有一定濃度的堿性氨基酸，是一種RNA-結(jié)合蛋白，它可以改變晚期啟動(dòng)子產(chǎn)生的Sx1初始轉(zhuǎn)錄本的剪接，在雌果蠅中由于已存在早期啟動(dòng)子合成的Sx1，因此可以對(duì)晚期啟動(dòng)子的mRNA進(jìn)行適當(dāng)剪接，從而能產(chǎn)生有活性的Sx1，這就是Sx1的自我調(diào)節(jié)的功能。這樣Sx1的活性在雌體中得到了維持。雄體（X:A=0.5）其Sx1早期啟動(dòng)子無法被激活，也就不能產(chǎn)生Sx1蛋白，而晚期啟動(dòng)雖能啟動(dòng)，但初始轉(zhuǎn)錄物就不能得到Sx1的適當(dāng)剪接，第3個(gè)外顯子也被轉(zhuǎn)錄，這樣在起始點(diǎn)不遠(yuǎn)的位點(diǎn)就出現(xiàn)了終止密碼，這便是雄性特異性的mRNA，只能產(chǎn)生

12、一個(gè)很短沒有功能的Sx1多肽。在雌體中Sx1的自我反饋調(diào)節(jié)維持Sx1的正常表達(dá)起到了重要的作用。但還有其它的基因也涉及到維持Sx1的表達(dá)，如男性化基因vir（virilizer,），老處女基因snf（sans  fille,），它們突變后Sx1因不能維持高水平的表達(dá)而阻滯雌性發(fā)育。還有一個(gè)母性效應(yīng)基因叫做雌性致死fl(2)d（female-lethal-2d,)基因。其突變會(huì)影響到Sx1晚期轉(zhuǎn)錄的雌性特異剪接。(四)Sx1控制體細(xì)胞性別分化基因。在果蠅性決定的途徑中在Sx1下游的還有tra，tra-2，雙重性別基因dsx（doublesex）間性基因ix（intersex）,兩性基因

13、her（hermaphrodite）和不育基因fru（fruitless）等。Sx1直接的靶基因是tra基因，tra在兩性的發(fā)育中均被轉(zhuǎn)錄，但只在雌果蠅中產(chǎn)生有功能的Tra蛋白，Sx1蛋白的存在可以改變tra基因轉(zhuǎn)錄本的剪接。一種剪接方式在雌雄兩性中都存在，那就是沒有Sx1的指導(dǎo)，產(chǎn)生的RNA的前部含有終止密碼子。最終產(chǎn)生的Tra蛋白是沒有功能的。在部分雌體細(xì)胞中Sx1蛋白的存在與tra mRNA前體相作用，結(jié)合在非性別專一性，3端剪接位點(diǎn)附近抑制了通常使用的非性別專一的3端剪切位點(diǎn)，當(dāng)這個(gè)位點(diǎn)被跳越過時(shí)，便使用下一個(gè)第3個(gè)外顯子中含有的UGA，結(jié)果使約一半tra mRNA前體，產(chǎn)生雌性特異性

14、剪接，形成包括全長(zhǎng)ORF的成熟的mRNA，這種mRNA編碼有活性的Tra蛋白。Tra-2基因有多個(gè)起始位點(diǎn)和多腺苷加尾位點(diǎn)，加上選擇性剪接，就能產(chǎn)生很多不同的相關(guān)RNA，編碼一系列相關(guān)蛋白，這些蛋白都含有Arg-Ser富集區(qū)和一個(gè)RNA識(shí)別區(qū)域（RRM），這是幾個(gè)已知的作為RNA剪接因子的RNA 結(jié)合蛋白的特點(diǎn)之一，表明  tra-2的功能也與RNA剪接有關(guān)。有些tra-2 RNA只存在雄性生殖細(xì)胞中，為正常精子發(fā)生所需，此和性別決定無關(guān)。另一些tra-2的產(chǎn)物在兩性的體細(xì)胞中都存在，無性別差異，而只有在Tra蛋白存在對(duì)Tra-2蛋白才顯示出影響性別分化的功能。Tra可能通過與Tra

15、-2形成某種復(fù)合體的形式共同作用，通過對(duì)dsx的mRNA前體的雌性剪接，表達(dá)為雌性異的DsxF，從而進(jìn)一步控雌性化發(fā)育。dsx座位有兩種彼此排斥的表達(dá)方式，在雌性中在Tra和Tra-2的作用下，dsx的mRNA初始轉(zhuǎn)錄本中從內(nèi)含子的5到其3端被切除，結(jié)果翻譯終止于外顯子4未端的UAG處，形成一個(gè)較小的蛋白DSXF；在雄性中Tra蛋白無功能，Tra-2不能與其形成復(fù)合物，dsx的剪切也就不受二者的影響，從內(nèi)含子3的5端位點(diǎn)直接到內(nèi)含子4的3端，這樣將含有終止密碼子的外顯子4也切除了，使翻譯一直進(jìn)行到第6個(gè)外顯子，產(chǎn)生一個(gè)較大的DSXm蛋白。Tra和Tra-2調(diào)節(jié)的作用和Sx1有2點(diǎn)不同：（1）前

16、者使剪接的結(jié)果存在中途的終止位點(diǎn)，而后者相反切除了中途終止位點(diǎn)，使蛋白有功能；（2）Tra和Tra-2在兩性中不同的剪接雖也產(chǎn)生不同的蛋白，但都有活性，僅功能不同。而Sx1的作用結(jié)果是產(chǎn)生有活性的Sx1和TRA,而沒有Sx1指導(dǎo)的剪接，Sx1和Tra都沒有活性。兩性基因ix（interser,）目前了解不多，經(jīng)遺傳分析表明ix產(chǎn)物可與Dsx相互作用，在雌蠅中促使DSXF對(duì)雄性分化起抑制作用，是雌性分化所需的基因。her基因是母體溫度敏感基因，它在果蠅性別決定途經(jīng)的前、后兩個(gè)位置上，都起到調(diào)節(jié)作用。其本身是一種具有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子。在途徑的后部與Ix作用的位置相同。(五) 劑量補(bǔ)償作用在所有x

17、y型的生物中，由于雌性有兩條X染色體，而雄性僅一條X染色體，那么按理說X連鎖基因表達(dá)的量雌、雄之間是不同的，雌性所具有的X-連鎖基因的產(chǎn)量是雄性的2倍，但實(shí)際上是相近的，這就是通過一種劑量補(bǔ)償機(jī)制來調(diào)節(jié)的，但不同的生物這種劑量補(bǔ)償機(jī)制也是不同的。果蠅的劑量補(bǔ)償效應(yīng)仍通過Sx1蛋白來調(diào)節(jié)的。有一組基因稱為雄性特異致死效應(yīng)基因（male-specific lethaleffects），這組基因已發(fā)現(xiàn)有4個(gè)：ms1-1、 ms1-2、ms1-3、和mle(maleless)。前3個(gè)基因都位于第2號(hào)染色體上，僅mle在第3號(hào)染色體上。用它們的抗體進(jìn)行免疫反應(yīng)，表明Msls蛋白在雄性的X染色體上有數(shù)百個(gè)

18、結(jié)合位點(diǎn)，而在雌性X染色體上卻沒有。表明msls可能直接介導(dǎo)劑量補(bǔ)償，調(diào)節(jié)同一條X染色體上性連鎖基因。這4個(gè)基因的產(chǎn)物可能相互結(jié)合成異聚復(fù)合體。一系列證據(jù)表明Sx1基因通過阻止雌性X染色體的過度轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)劑量補(bǔ)償。Sx1功能的打開和關(guān)閉就像控制體細(xì)胞分化那樣控制劑量補(bǔ)償。近期用特異的多克隆抗體與X體色體的結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了Sx1的表達(dá)，結(jié)果表明Sx1在細(xì)胞中表達(dá)的水平與msl和X染色體結(jié)合能力相一致，這就意味著Sxl的表達(dá)可能促使msl與X染色體的結(jié)合，從而抑制了x-染色體基因的過度表達(dá)。Msl-2是作為劑量補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)基因。也是Sx1調(diào)節(jié)目標(biāo)的候選者。msl-2蛋白只在雄果蠅中存在，若在雌體中意外表達(dá)，則導(dǎo)致了另一些msls廣泛地積聚在X-染色體上，彼此相間排列。Sx1蛋白也是通過選擇性剪接的機(jī)制對(duì)msl-2進(jìn)行負(fù)調(diào)節(jié)。在雄性中無Sx1 ，msl-2轉(zhuǎn)錄本5上游區(qū)域的一個(gè)內(nèi)含子被切除，而在雌性中Sx1正好結(jié)合在此5上游內(nèi)含子上，使其得以保留，而這個(gè)內(nèi)含子上有終止密碼子，使翻譯過早終止，產(chǎn)生無功能的Msl-2。Msls的調(diào)控是在轉(zhuǎn)錄水平，通過促進(jìn)雄性X染色體轉(zhuǎn)錄水平來提高基因產(chǎn)物的量。整個(gè)的果蠅X-連鎖基因的