《發(fā)育生物學》課件第十二章 性別決定

1、第十二章 性別決定Sex determination性別表現(xiàn)型的決定公元前335年，Aristotle指出性別決定于熱(heat)，當母親子宮的冷超過父親的精熱時子代發(fā)育為female，female是發(fā)育不健全的men。19世紀末之前，人們認為溫度、營養(yǎng)、年齡等環(huán)境因素決定了性別。20世紀初，Mendel定律重新發(fā)現(xiàn)(1900)、McClung發(fā)現(xiàn)性染色體(1902)、Stevens和Wilson在昆蟲上發(fā)現(xiàn)了性染色體組成與性別的關(guān)系(male=XY or XO while female=XX)(1905)，從而認識到遺傳物質(zhì)在性別決定中起重要作用。多細胞生物性別決定的復雜性多細胞的性別決定是

2、一個復雜的問題。就表型而言，存在兩性異體、同體，以及個體性別轉(zhuǎn)化等不同的類型，并由此帶來了副性征及生殖方式的多樣性。分子生物學的研究表明，性別的決定（表達）受到遺傳和環(huán)境雙重因素的影響，而不同生物性別決定的方式可能很不一樣。一、哺乳動物的性別決定由于多細胞生物個體性別表達類型的多樣性，個體的性別決定一定要與具體的動物種類聯(lián)系在一起。動物個體發(fā)育中的性別決定有兩種代表的模式：通過遺傳物質(zhì)的分配來決定其性別，以及在同樣的遺傳背景下通過環(huán)境的干預來決定其性別類型。哺乳動物執(zhí)行的是典型的通過遺傳物質(zhì)分配實現(xiàn)其后代性別決定的模式。性別決定的機制性別決定的關(guān)鍵基因是位于X染色體上的DAX1基因和位于Y染色

3、體上的SRY基因。由于在XX染色體組型的個體中只有DAX1基因表達，個體無選擇的發(fā)育為雌性個體，而在XY染色體組型的個體中，由于SRY基因?qū)τ贒AX1基因的強競爭作用，個體將發(fā)育為雌性個體。DAX1基因或SRY基因產(chǎn)物在其他輔助因子的協(xié)同作用下分別誘導生殖原基向卵巢或精巢的發(fā)育，實現(xiàn)初級性別決定；然后，兩種不同的性腺再進一步通過產(chǎn)生激素的方式誘導各自的次級性別特征發(fā)生。哺乳動物的性別決定的級聯(lián)表達高等動物的性別決定包括兩個方面：一為性腺的決定和發(fā)育，二為附屬性器官、特征及性行為的建立。在脊椎動物中，性腺的發(fā)育占有優(yōu)先和主導的地位，而性附屬器官、性特征及性行為的建立主要是來自性腺產(chǎn)生的激素的誘導

4、作用。脊椎動物的性腺的發(fā)育稱為初級性別決定（primary sex determination），性附屬器官、性特征及性行為的建立為次級性別決定（secondary sex determination)。1.初級性別決定指生殖腺發(fā)育為睪丸或卵巢的選擇。胚胎生殖腺(gonad)的發(fā)育命運決定于其染色體組成，Y染色體的存在使生殖腺的體細胞發(fā)育為testis而非ovary。e.g., 基因型為XXY的Klinefelter綜合征患者的表型為male，但不具生殖力；基因型為XO的Turner綜合征患者為不能產(chǎn)卵的female。性腺的形態(tài)學變化哺乳動物性腺發(fā)育是一種獨特的胚胎學情況，它首先經(jīng)歷一個不表現(xiàn)

5、任何性別特征的未分化時期（indefferent stage），然后再進入性別分化的發(fā)育程序。人性腺原基在妊娠4周出現(xiàn)，直到7周以前一直處于未分化狀態(tài)。人性腺的分化A. 4周胚胎的生殖嵴；B.6周胚胎的尚無性別差異的生殖嵴，可見其中原始生殖索開始發(fā)育；C.第8周睪丸發(fā)育，生殖索與皮層的聯(lián)系減弱，發(fā)育成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；D.到第16周，睪丸索與中腎管相連；E.第8周卵巢發(fā)育，原始生殖索退化；F.到第20周，卵巢不與中腎管相連，初始卵泡形成。在人類，睪丸決定因子（testes-determining factor，TDF）基因位于Y染色體的短臂上，通過分析XX的男性和XY的女性的DNA ，這個睪丸決定基因

6、的位置已進一步確定，即SRY（sex-determining region of the Y）基因，它是一種編碼223 aa的轉(zhuǎn)錄因子，含有HMG DNA結(jié)合區(qū)。睪丸發(fā)生的基因決定SRY蛋白與DNA的結(jié)合能引起DNA彎曲7080度。圖中黑色表示SRY蛋白的部分結(jié)構(gòu)，紅色表示與SRY蛋白特異結(jié)合的DNA，SRY蛋白睪丸決定基因為Y染色體上的SRY(sex-determining region of the Y chromosome)Sry對睪丸發(fā)育的影響的實驗證據(jù)小鼠Sry基因也存在于Y染色體上，在未分化的生殖腺和正在分化為睪丸的生殖腺中表達。轉(zhuǎn)Sry基因的XX小鼠可長出睪丸和雄性特征，但不能產(chǎn)

7、生正常的精子。A. PCR反應后，電泳示正常XY雄小鼠（1）和轉(zhuǎn)基因XX Sry小鼠（3）都有Sry基因，而同窩出生的XX雌性小鼠（2）則沒有。B.轉(zhuǎn)基因XX小鼠（右）的外生殖器是雄性，與XY雄性小鼠（左）非常像。研究表明，僅有SRY基因，它對于睪丸的形成條件并不充分，已發(fā)現(xiàn)在SRY基因存在的情況下，不同的其他遺傳背景仍可以出現(xiàn)睪丸的不育現(xiàn)象，那么它應該是通過激活或抑制生殖嵴中若干基因的方式來具體指導睪丸的發(fā)育。與睪丸命運決定有關(guān)的常染色體基因Sox9：為含HMG DNA結(jié)合區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子。小鼠的Sox9只在雄性生殖嵴中表達，表達時間比Sry約晚。Sox9蛋白可與Amh的啟動子結(jié)合，促進Amh的

8、表達。SF1(steroidogenic factor 1)：為含HMG DNA結(jié)合區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子。Sf1在雌雄小鼠的未分化的性腺中都表達，但分化開始后就局限在XY小鼠的正在發(fā)育的睪丸中。SF1在睪丸支持細胞中通過協(xié)助Sox9而增強AMH基因的表達;而在睪丸的間質(zhì)細胞中，它可激活睪酮合成酶基因。Sox-9和Sf-1協(xié)同作用激活Amh的表達A.Sox9結(jié)合在Amh基因的啟動子，起始Amh基因在Sertoli細胞中的表達；B.Sf-1和Wt-1結(jié)合后使AMH表達上調(diào)，Sf-1結(jié)合在DNA結(jié)合位點，而Wt-1結(jié)合在Sf-1蛋白上；C.Gata的結(jié)合進一步上調(diào)Amh的表達。卵巢發(fā)生的基因決定當人類X染色

9、體短臂某部分突然加倍后，XY型的個體將發(fā)育為女性，表明可能卵巢發(fā)育的決定基因存在于X染色體的這一部分，這一基因已確認為是DAX1基因。與卵巢命運決定有關(guān)的X染色體基因位于X染色體上的DAX1和位于Y染色體上的SRY產(chǎn)生睪丸；DAx1沒有SRY（由于另一DAX1位于失活的X染色體上）產(chǎn)生卵巢；兩個活性拷貝的DAX1（位于活性X染色體上）與SRY( 位于Y染色體上）導致性腺形成障礙（由于沒有AMH和睪酮，形成雌性表型。WNT4：是常染色體上的潛在的卵巢決定基因。小鼠Wnt 4在分化前的XX和XY生殖嵴中都表達，其后只在XX生殖腺中表達。在Wnt4-XX小鼠上，卵巢形成異常，其細胞表達Amh和睪丸酮

10、等睪丸特異性標記。Sry的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表達和促進Sf1的表達。哺乳動物初級性別決定機制 SRY和DAX1蛋白競爭性的激活或抑制SF1基因，單一的X和Y染色體出現(xiàn)時SRY將占優(yōu)勢，SF1激活，若DAX1在X染色體上有兩個拷貝，或沒有Y染色體，SF1將不被激活。SF1蛋白激活SOX9基因，后者指導性索發(fā)育為睪丸的Sertoli細胞，同時抑制WNT4的表達，WNT4將使性腺向卵巢方向分化，大多被WNT4和SOX9激活的基因還沒有確定，機制也不清楚。次級性別決定指睪丸或卵巢形成后，由它們分泌的激素來影響性器官的發(fā)育。次級性別決定涉及性腺之外的身體表現(xiàn)型，雄性動物具有陰莖、精囊、前列

11、腺等，雌性動物具有陰道、子宮頸、子宮、輸卵管等。在出現(xiàn)睪丸的胚胎中，Mullerian 管退化，而Wolffian 管分化為輸精管、附睪、精囊。在出現(xiàn)卵巢的胚胎中， Wolffian管退化， Mullerian管分化為輸卵管、子宮等。 2. 次級性別決定哺乳動物性腺管道的發(fā)育 在未分化性 腺 中， Mullerian管和Wolffian管二者都存在，隨后在各自生殖腺的作用下出現(xiàn)了不同性別的分化。胎鼠中AMH的活性在試驗開始時，Mullerian管（左側(cè)箭頭）和Wolffian管（右側(cè)箭頭）都開口；和分泌AMH的組織培養(yǎng)3天后， Wolffian管開口而Mullerian管退化閉合。抗Mulle

12、rian管激素(anti-Mullerian duct hormone, AMH)：由睪丸支持細胞分泌的560aa糖蛋白，其作用可能是誘導Mullerian管周圍的間質(zhì)細胞分泌一種促凋亡因子，使Mullerian管退化。二氫睪丸酮(testosterone) ：由睪丸酮轉(zhuǎn)變而成，其作用是控制外生殖器官的形成。缺少5a-ketosteroid reductase 2的XY個體的外形像female.睪酮(testosterone) ：由睪丸間質(zhì)細胞合成，其作用是誘導中腎管分化為輸精管、精囊、附睪。一個患雄激素不敏感綜合征的XY型個體：盡管核型是XY而且有睪丸，個體仍然發(fā)育出雌性的第二性征，他缺少繆

13、勒氏管衍生物并且在發(fā)育中睪丸也不下降。在雌性胚胎中，雌激素由卵巢合成，它誘導Mullerian duct分化為雌性器官。在雄性胚胎中，雌激素由腎上腺合成，它使中腎旁管細胞吸收睪丸中的水分，有助于增加精子的壽命和數(shù)量。雌激素(estrogen) 同性戀者的生物學基礎(chǔ)裂縫核INAH4和INAH3是兩組下丘腦神經(jīng)元，INAH4在體積上沒有性別二態(tài)性，INAH3在聚類分析上有顯著的差異，雖然在范圍上相似，從男性同性戀死者大腦INAH3傾向于雌性分布。這表明性傾向有生物學基礎(chǔ)，但這些數(shù)據(jù)僅表明相關(guān)性，而非因果關(guān)系。到哺乳動物的青春期，雌、雄激素再次誘導第二性征的進一步發(fā)育，在一階段，中樞神經(jīng)系統(tǒng)明顯的介

14、入次級性別決定的發(fā)育過程。二、果蠅的性別決定哺乳動物和果蠅都用性別決定的xx/xy系統(tǒng)，但機制完全不同。果蠅的性別（包括性腺的發(fā)育）是由x染色體與常染色體的數(shù)量比來決定的，y染色體并沒有性別決定的作用。果蠅的性腺不產(chǎn)生激素，副性征的發(fā)育是由身體的相關(guān)部位根據(jù)自己的基因組型作出“性別決定”的。果蠅的性別決定于X染色體的數(shù)量 X染色體上的性別決定基因叫分子基因(numerator)，而常染色體上的性別決定基因叫分母基因(denominator)。二者之比 0.5時，個體將發(fā)育為雄性，1.0時，個體發(fā)育為雌性，二者之間為中性。X染色體和常染色體數(shù)量比即兩套基因組數(shù)量比。果蠅的性別決定在果蠅中，由于體

15、細胞染色體變異常會造成雌雄嵌合體出現(xiàn)A圖示：雄性一側(cè)失去了攜帶眼顏色和翅形狀野生型等位基因的一條X染色體，所以在剩余染色體上隱性等位基因紅眼和小翅得以表達。突變分析表明，sex-lethal（Sxl）、transformor（tra）、transformer-2（tra-2）基因的突變可使XX個體變?yōu)樾坌裕@種突變對XY雄性個體無作用。Intersex（ix）基因的突變可使XX果蠅變?yōu)殚g性。Doublesex（dsx）基因在兩種性別的分化過程中都起重要作用，dsx缺失可使XX和XY個體都發(fā)育為間性。X:A比例信號是通過Sxl基因起作用的。果蠅體細胞性別決定級聯(lián)調(diào)控通路模式雌雄兩性中Sxl基因

16、的不同激活方式Transformer1: 果蠅性別決定的中間基因。Doublesex: 缺失該基因的胚胎的生殖原基(雌雄相同)發(fā)育產(chǎn)生雌雄相間的生殖結(jié)構(gòu)；雌性和雄性特異性dbx促進特異性性別基因的表達。 Tra前體mRNA與Sxl蛋白結(jié)合的立體示意圖在果蠅三個主要的性別決定基因中性別特異的RNA拼接模式前-mRNA位于圖的中央，而且在雄性和雌性中是完全相同的。雌性特異的轉(zhuǎn)錄本如圖左側(cè)，而欠缺的轉(zhuǎn)錄本（或雄性的或非特異性的）如圖右側(cè)。外顯子用數(shù)字表示，終止密碼和poly(A)的位置已標出。三、線蟲的性別決定線蟲的性別也決定于X染色體與常染色體套數(shù)之比,該比例信號的接受者為Xol-1(XO let

17、hal)目前認為sdc-1基因的表達與個體X/A比率有關(guān)， 如果X/A比率是1，由于sdc-1基因的高表達而抑制her-1的表達，進而控制著X染色體的級聯(lián)基因的表達，獲得了兩性個體發(fā)育所需的劑量補償組合，圖中高、低反映個基因的活性。由于sdc基因最終導致tra-1基因激活，啟動了兩性同體表型的發(fā)育程序；反之xol基因只在雄性個體中表達，使sdc基因表達受到抑制，最終引導雄性個體發(fā)育。線蟲性別決定因子的作用機制在XX個體中，高數(shù)量的膜蛋白TRA-2與FEM蛋白結(jié)合，使細胞質(zhì)中沒有游離的FEM蛋白，導致TRA-1蛋白進入核內(nèi)，激活兩性同體發(fā)育所需的基因。在XO個體中，高數(shù)量的HER-1蛋白與低數(shù)量的膜蛋白TRA-2結(jié)合，使膜蛋白TRA-2釋放FEM蛋白，F(xiàn)EM蛋白與TRA-1蛋白結(jié)合，導致細胞質(zhì)中沒有游離的TRA-1蛋白，也就不能進入核內(nèi)激活雌雄同體發(fā)育所需的基因，個體發(fā)育為雄性。四、環(huán)境因素對性別發(fā)育的影響大多數(shù)龜類和所有鱷魚的性別是由受精后的環(huán)境決定的，在發(fā)育一定時期卵的溫度是性別決定的決定因子，溫度的微小變化能