性別決定 優(yōu)秀公開(kāi)課教案

哺乳動(dòng)物性別決定機(jī)制的研究進(jìn)展摘要：目前，性別決定的研究已經(jīng)取得不少的成果。本文綜述了哺乳動(dòng)物性別決定的方式及其機(jī)制。并對(duì)哺乳動(dòng)物性別決定基因的研究進(jìn)展做了介紹，分析了這些基因之間可能的相互作用機(jī)理,為發(fā)育生物學(xué)、哺乳動(dòng)物性別決定、性別控制及胚胎鑒定提供一些借鑒。關(guān)鍵詞：性別決定；哺乳動(dòng)物TheMechanismofMammalsSexDeterminationinMammalianVertebrateAbstract:Atpresent,theresearchofsexdeterminationhasgotmanyachievements.Thistextoverviewsthewayandthemechanisminmammals.Itintroducesthegenesofsexdeterminationandanalysisestheinteractionmechanismofactionbetweenthesegenes.Inordertoprovidesomemirrortodevelopmentbiology,sexdeterminationinmammalian,sexcontrolandembryoidentification.Keywords:sexdetermination;mammalian動(dòng)物的性別與其很多生產(chǎn)性能有關(guān)，有些遺傳疾病也是伴性遺傳的。所以，了解動(dòng)物性別決定的過(guò)程、有效地控制動(dòng)物的性別就能更好地利用有限的自然資源。動(dòng)物早期的性腺發(fā)育過(guò)程按時(shí)間可以分為兩步：第一步由基因決定原始性腺發(fā)育為睪丸或是卵巢，稱之為性別決定；第二步在睪丸和卵巢分泌的不同激素的作用下最終分化為雌性或雄性表現(xiàn)型，稱之為性別分化【1】。本世紀(jì)以來(lái)隨著分子遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展，使得人們從本質(zhì)上對(duì)性別決定的認(rèn)識(shí)有了更深層的了解，對(duì)性別決定的研究已經(jīng)從形態(tài)學(xué)向配子發(fā)生和胚胎形成的過(guò)程深化。1動(dòng)物性別決定方式動(dòng)物基因型性別決定動(dòng)物的性別受雌雄配子性染色體的組合決定，胚胎發(fā)育成雌性或雄性的趨向取決于其性染色體的組成。目前有以下幾種方式：XY型性別決定性染色體組成是XY的個(gè)體將發(fā)育成雄性，而性染色體組成是XX的個(gè)體將發(fā)育成雌性。XY型性決定方式在生物界比較普遍，除了人類(lèi)外，全部哺乳動(dòng)物、某些兩棲類(lèi)，如非洲爪蟾、魚(yú)類(lèi)、很多昆蟲(chóng)都是XY型性決定。隨著分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和基因定位技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多地在基因水平上了解到動(dòng)物的性別決定機(jī)制。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了位于X染色體上的DAX－1基因和位于Y染色體上的SRY基因。XO型性別決定蝗蟲(chóng)、蟑螂等的性別決定XO型，雄性只有一個(gè)X性染色體而沒(méi)有Y染色體，所以形成帶X和不帶X兩種精子，雌性有一對(duì)X染色體形成一種帶X的卵細(xì)胞，受精后的XX合子發(fā)育為雌性，XO合子發(fā)育為雄性，它們的理論比例是1∶1。這種性別決定叫XO型性別決定，可以看作是XY型的一種變種。ZW型性別決定ZZ將發(fā)育成雄性，而ZW將發(fā)育成雌性。這種性別決定方式常見(jiàn)于鱗翅目昆蟲(chóng)、有些兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)。其他特例除了上述幾種方式外，還有常染色體上基因決定性別、孤雌配子決定性別以及其他更加復(fù)雜的性別決定方式。2性別決定的機(jī)制性別決定的發(fā)育學(xué)機(jī)制哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的早期階段為性別未分化期，僅有位于中腎內(nèi)緣的性腺原基，這種未分化的性腺中胚層處于中性【2】。家畜性別決定的取向是未來(lái)性腺發(fā)育的導(dǎo)向，而性別決定的結(jié)果又是通過(guò)性腺分化及性表型來(lái)體現(xiàn)的【3】。胚胎生殖腺的發(fā)育類(lèi)型是性別形成的決定物質(zhì)。對(duì)兔胚胎閹割后的試驗(yàn)表明，在內(nèi)外生殖器組織分化的臨界時(shí)間前，無(wú)論對(duì)雌性還是雄性胚胎切除發(fā)育中的生殖腺，均導(dǎo)致了胚胎的內(nèi)外形態(tài)上向雌性發(fā)育，說(shuō)明胚胎中睪丸組織的存在是促使雄性性狀發(fā)育或者阻止雌性性狀發(fā)育的必需物質(zhì)【4】。當(dāng)生殖腺原基被某種信息誘導(dǎo)發(fā)育為卵巢，由卵巢產(chǎn)生的雌激素則使苗勒氏管發(fā)育為陰道、子宮和輸卵管。如果性腺原基發(fā)育為睪丸，其間質(zhì)細(xì)胞分泌睪酮，支持細(xì)胞分泌抗苗勒氏管因子，誘導(dǎo)中腎管發(fā)育成附睪、輸精管和精泡等內(nèi)生殖器。生殖道中生殖腺分布和發(fā)育的異常，將導(dǎo)致不同程度的雌雄同性【5】。哺乳動(dòng)物的性別是由遺傳來(lái)決定的，雌雄個(gè)體的性特征44+XX是在不同的性激素刺激下的具體表現(xiàn)。性別在受精的一瞬間業(yè)已決定，或者具體地說(shuō)是由受精時(shí)的精子來(lái)決定的。我們知道二倍體的動(dòng)物染色體組成中，有一對(duì)專門(mén)決定個(gè)體性別的染色體稱作性染色體，雌性動(dòng)物為XX，雄性動(dòng)物為XY，其中Y染色體是決定動(dòng)物性別的關(guān)鍵所在。生殖細(xì)胞為單倍體，只含一條性染色體，卵子均為X，精子有X和Y兩種，數(shù)量基本相同。如果卵子和一個(gè)X精子結(jié)合形成胚胎性染色體組成為XX，將來(lái)發(fā)育為雌性個(gè)體;如果和Y精子結(jié)合形成胚胎性染色體組成為XY，將來(lái)發(fā)育為雄性個(gè)體【6】。性染色體組成異常，往往導(dǎo)致個(gè)體生殖功能障礙或其它相關(guān)疾病的發(fā)生【7】。性別決定的分子學(xué)機(jī)制從本世紀(jì)以來(lái)，細(xì)胞學(xué)研究的進(jìn)步和顯微技術(shù)的發(fā)展展示了胞內(nèi)細(xì)胞器和核內(nèi)染色體結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)減數(shù)分裂中染色體行為和異型性染色體的研究認(rèn)識(shí)到，Y染色體的存在與否是決定性別發(fā)育方向的關(guān)鍵因素。目前的研究認(rèn)為，哺乳動(dòng)物的性別決定主要由Y染色體上的SRY基因調(diào)控。同時(shí)還存在著一些其他基因涉及性別決定系統(tǒng)，如常染色體基因Sox9、WT1、SF1以及X染色體上的DAX1基因【8】。2.2.1SRY基因及作用機(jī)理SRY即睪丸決定因子，它是決定動(dòng)物性別的Y染色體上的一個(gè)微小片斷，它攜帶有睪丸特異性轉(zhuǎn)錄密碼，在動(dòng)物性別決定的關(guān)鍵時(shí)期對(duì)機(jī)體發(fā)出遺傳信息，將原始性腺的生殖背導(dǎo)向睪丸的發(fā)育，經(jīng)研究確認(rèn)SRY在Y染色體上位于靠近假常染色體(斷臂末端部分)的邊界的一小段內(nèi)，起源于X染色體上的SOX3，并具有高度的保守性和特異性【9】。SRY基因存在一個(gè)較長(zhǎng)的閱讀框架，它編碼了120個(gè)氨基酸的保守序列【10】。SRY基因性別決定機(jī)理如下:SRY的保守區(qū)編碼一種DNA結(jié)合蛋白【11】。體外試驗(yàn)表明，大腸桿菌中表達(dá)的SRY蛋白具有明顯的DNA結(jié)合能力，由于突變或缺失都會(huì)使SRY蛋白的DNA結(jié)合能力下降或喪失，從而導(dǎo)致SRY蛋白所調(diào)控的基因不能開(kāi)啟轉(zhuǎn)錄，發(fā)生XY性反轉(zhuǎn)，這說(shuō)明SRY是一個(gè)結(jié)合DNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在性別分化中起調(diào)控作用，而SRY所調(diào)控的基因也是參與性別分化所必需的。由此可認(rèn)為哺乳動(dòng)物的性別決定是一系列基因協(xié)調(diào)表達(dá)的結(jié)果，而SRY可能起著開(kāi)關(guān)作用【11】。SRY基因的表達(dá)如下:SRY基因?yàn)殚_(kāi)放的讀碼框架結(jié)構(gòu)，有一個(gè)外顯子，可編碼204個(gè)aa肽鍵，其中有一段可編碼79aa的保守區(qū)-HMG盒，它具有高度的保守性，現(xiàn)已在包括有袋類(lèi)和真獸亞綱動(dòng)物在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的Y染色體上發(fā)現(xiàn)有SRY同源序列的存在。有學(xué)者通過(guò)Noilhern印跡在人睪丸中檢出SRY的表達(dá)，Koopman等(1990)試驗(yàn)表明SRY基因僅在交配后~12h的有限時(shí)間內(nèi)表達(dá)，這種表達(dá)是隨著細(xì)胞的發(fā)育在生殖嵴細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，在小鼠交配后h無(wú)預(yù)先的表達(dá)征兆，只在交配后h，睪丸索明顯形成的時(shí)候，才有表達(dá)痕跡，這種極短時(shí)間的表達(dá)揭示SRY啟動(dòng)睪丸的發(fā)育，但對(duì)長(zhǎng)時(shí)間維持睪丸特異基因的表達(dá)不是必需的。還有研究表明，小鼠胚胎時(shí)期mSRY只在睪丸開(kāi)始形成階段表達(dá)，并且表達(dá)僅限于性腺組織，該表達(dá)特異性地發(fā)生于生殖嵴的體細(xì)胞中，且不需要生殖細(xì)胞的存在。綜上所述，可知SRY表達(dá)具有精確的時(shí)間性和組織特異性，這意味著有控制SRY的基因的存在，這些基因在性別決定通路上是SRY的上游基因，而且在生殖嵴中，這些基因一定是常染色體基因或者是X-:連鎖基因，而且在XX和XY胚胎中都有存在。2.2.2Sox9基因及作用機(jī)理Sox9(SRY-relatedHMGbox，9)是HMG-box家族中的一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子，它在哺乳動(dòng)物、禽類(lèi)和爬行動(dòng)物中高度保守，是比SRY更古老的性別決定基因。Sox9的基因突變可造成嚴(yán)重的骨質(zhì)形成異常(campomelicdysplasia，CD)。小鼠的Sox9在雄性生殖嵴高度表達(dá)，而雌性沒(méi)有。時(shí)在支持細(xì)胞中可微量地檢測(cè)到Sox9的轉(zhuǎn)錄本，在dpc時(shí)高度表達(dá)(此時(shí)也是SRY的表達(dá)高峰)。因此，這表明SRY可以直接或間接地上游調(diào)控Sox9的表達(dá)。在dpc時(shí)，僅在生殖索中觀察到Sox9的表達(dá)，以后其表達(dá)水平一直在睪丸發(fā)育過(guò)程中維持。幼年和成年的小鼠睪丸中都檢測(cè)到Sox9的表達(dá)，而在卵巢中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，因而它可能被Dax-1基因抑制〔3〕。Sox9與SRYHMG盒的相似性，表明Sox9和SRY在睪丸決定中的作用可能是相互影響的，有人甚至提出SRY是由一種劑量依賴的性決定基因-Sox9進(jìn)化而來(lái)的。在小鼠中，SRY在生殖嵴的前謝爾托立氏細(xì)胞(presertolicell)中表達(dá)，而睪丸發(fā)育需要sertoli細(xì)胞。在此期間，Sox9也在生殖嵴中表達(dá)。假若Sox9與SRY在生殖嵴相同的細(xì)胞中表達(dá)，那么他們就有可能通過(guò)相互作用來(lái)影響sertoli細(xì)胞在睪丸發(fā)育中的功能【12】。幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SRY的表達(dá)一定的閾值范圍內(nèi)達(dá)到平衡，但Sox9的作用能夠提高SRY的信號(hào)，以致使之超出這個(gè)閾值，而起動(dòng)雄性的發(fā)育【13,14】。2.2.3WT1基因及作用機(jī)理WT1(Wilmstumorgene1維爾姆斯瘤基因)基因首先是在Denis-Drash癥候群(DDS)中發(fā)現(xiàn)的，WT-1在中腎、發(fā)育中的腎以及生殖嵴中(小鼠9dpc)表達(dá)，雄性WT1基因剔除小鼠缺乏性腺并出現(xiàn)雌性的表型。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)SRY的啟動(dòng)子包含有WT1基因的識(shí)別位點(diǎn)，表明WT-1與早期性腺發(fā)育有關(guān)，WT1直接激活SRY的表達(dá)。WT1在涉及胚胎發(fā)育的基因調(diào)節(jié)中起重要作用，WTI的作用方式是作為轉(zhuǎn)錄活化劑。WT1基因活化SF1的表達(dá)，從而間接調(diào)節(jié)性腺的形成。WT1能活化內(nèi)源性的DAX1啟動(dòng)子，WT1-DAX1途徑是哺乳動(dòng)物性別決定過(guò)程中的早期事件[15]。2.2.4DAX1及其作用機(jī)理DAX1蛋白是DAX1編碼核激素受體超家族的1個(gè)蛋白，起源于X染色體短臂上的兩個(gè)遺傳位點(diǎn)DSS(Dosagesen-sitivesexreversal)和AHC(Adrenalhypoplasiacongenital)。DAX1蛋白是受視黃酸受體調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)節(jié)因子[16]。當(dāng)DSS位點(diǎn)在XY個(gè)體中X染色體短臂上出現(xiàn)兩個(gè)拷貝的畸變時(shí)，就會(huì)引發(fā)雄性轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩缘男阅孓D(zhuǎn)，DSS在卵巢的發(fā)育中起作用或者在卵巢和睪丸的形成中起聯(lián)系作用。DAX1和SRY在鼠體內(nèi)起拮抗作用，前者增量表達(dá)將導(dǎo)致向雌性方向發(fā)育，而后者的增量活化則導(dǎo)致向雄性方向發(fā)育。盡管DAX1在性別決定中起重要作用，但其在人與鼠中的行為表現(xiàn)不一，人缺乏DAX1能引發(fā)腎上腺的先天性發(fā)育不全;雄性鼠缺乏DAX1促皮質(zhì)素和腎上腺激素雖能正常表達(dá)但不育，雌性鼠缺乏DAX1則能生育。2.2.5SF-1及其作用機(jī)理SF-1(Steroidogenicfactor1)是核激素受體超家族成員之一[17]，它在性別決定的整個(gè)時(shí)期均在生殖嵴持續(xù)表達(dá)[18]，它參與性腺的形態(tài)發(fā)生、幾個(gè)在睪丸功能中起作用的激素轉(zhuǎn)錄的活化，包括類(lèi)固醇生成基因和抗苗勒氏激素。涉及在性腺軸的多層次水平對(duì)繁殖功能進(jìn)行控制，包括性別決定、性別分化和促性腺激素的生成及類(lèi)固醇生成。SF1在鼠的整個(gè)性別分化過(guò)程中，表現(xiàn)為雄性特異性表達(dá)。MIS的轉(zhuǎn)錄受到SF1的控制，因?yàn)樵贛IS啟動(dòng)子區(qū)存在SF1識(shí)別序列[19]。在DAX1的啟動(dòng)子區(qū)、類(lèi)固醇生成羥化酶基因、Star蛋白基因中也同樣發(fā)現(xiàn)SF1識(shí)別位點(diǎn)。2.2.6其它相關(guān)基因目前研究發(fā)現(xiàn)的幾種常染色體基因也與性別決定有關(guān)。CATA-4基因的表達(dá)對(duì)雄性性別分化起重要作用，而WNT4與雌性性別分化有關(guān)。WTN4基因的二個(gè)拷貝會(huì)致使XY性轉(zhuǎn)變，被認(rèn)為是一種“抗睪丸”基因，與DAX1基因一樣，推動(dòng)卵巢的發(fā)育。從小鼠胎兒性腺提取的富含雌雄的特異基因片斷構(gòu)建而成的cDNA文庫(kù)中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)Vnn1基因，其編碼一個(gè)粘著分子Vanin-1，其功能可能是參與睪丸發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞從中腎的遷移。從cDNA文庫(kù)中還發(fā)現(xiàn)了一些其他的基因如nexin-1，但具體功能還有待研究。另外，同源譜系研究發(fā)現(xiàn)了與果蠅和線蟲(chóng)各自的性別發(fā)育基因dsx(doublesex)、mab-3同源的DMRT1(DM-relatedtran-scriptionfactor-1)基因，它位于人類(lèi)9號(hào)染色體，其異質(zhì)突變與性轉(zhuǎn)變和性腺的畸形有關(guān)。DMRT1早期在兩性中表達(dá)水平相同，后來(lái)成為睪丸特異性。DMRT1定向基因誘變小鼠顯示此基因?qū)τ诔錾笮∈蟮牟G丸分化是必需的。研究還發(fā)現(xiàn)，DMRT1的突變將影響睪丸發(fā)育下游基因的調(diào)控，類(lèi)似于SRY突變。3問(wèn)題與展望近年來(lái)，性別決定研究取得了不少成果，但也存在不少問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)盡管已知哺乳動(dòng)物的性別決定中SRY是唯一的關(guān)鍵性基因，但其上游調(diào)節(jié)因子目前尚未發(fā)現(xiàn)，下游靶基因也有待確認(rèn)。因此，目前對(duì)SRY基因結(jié)構(gòu)的了解仍是局部性的，而不是完整的。(2)SRY在成熟性腺和非性腺組織中也有表達(dá)，甚至表達(dá)水平比在胚胎性腺中更高，SRY在這些組織中有何功能目前也不清楚。(3)性別決定的研究主要集中于人和鼠，豬、牛等動(dòng)物性別決定的分子生物學(xué)研究才剛剛起步。性別決定的徹底揭密并付諸實(shí)用尚有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，是一個(gè)頗值研究的課題。性別決定是高等有性動(dòng)物的一大重要生理現(xiàn)象。從功能角度看，性別決定基因在進(jìn)化上應(yīng)是比較保守的，如小鼠、人和大熊貓等動(dòng)物的SRY基因均存在局部序列的高度同源性。但是，在有些哺乳動(dòng)物中并未檢測(cè)到SRY基因的存在，如國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)奶牛染色體上是否存在SRY基因結(jié)論不一。但是，即使奶牛染色體上不存在與其它哺乳動(dòng)物同源的SRY基因，肯定存在其它基因行使著性別決定的功能。比較而言，研究奶牛的性別決定具有更大的實(shí)用價(jià)值。能否通過(guò)性別決定研究，獲得性別決定和性別分化正常但Y精子喪失正常功能(如喪失頂體功能)的公畜，是一個(gè)頗值研究的課題?？梢韵嘈?，性別控制技術(shù)與體外受精和胚胎移植技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，將導(dǎo)致胚胎工程的產(chǎn)業(yè)化步入一個(gè)全新的實(shí)用階段。參考文獻(xiàn)［1］李明,李江源.性別決定的分子機(jī)制［J］.當(dāng)代醫(yī)學(xué),2022,2(7):53-56.［2］王元興,郎介金,丁家桐等.動(dòng)物繁殖學(xué)［M］．南京:江蘇科技出版社.［3］JostA.RecentprogHormRes［J］．1953,8:379-418.［4］段子淵.動(dòng)物性別決定的分子機(jī)理及性別鑒定與控制新技術(shù)［J］．黃牛雜志,1998,24(3):52~55.［5］張保軍,楊公社,張麗娟.家畜性別決定的機(jī)制及其研究進(jìn)展［J］．動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué),2022,6(21):14~16.［6］朱曉華,趙萬(wàn)里,王志躍.家畜性別決定的機(jī)制及其控制的研究進(jìn)展［J］．動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué),2000,1:22~24.［7］李喜和.哺乳動(dòng)物的性別決定［J］．動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué),2022,6(20):47.［8］王建武,丁家桐,劉春玲等.哺乳動(dòng)物性別決定的基因調(diào)控［J］．動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué),2022,4:56~58.［9］馬群山,高彥彬,唐德江等.SRY在動(dòng)物性別決定中的作用機(jī)制［J］．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),1999,11(4):62~65.［10］陳乃清.哺乳動(dòng)物性別決定基因(SRY/Sry)及性別決定機(jī)理的研究進(jìn)展［J］．黃牛雜志,1995,3:45~50.［11］周榮家,程漢華,余其興.SRY基因與性別決定［J］．中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志,1995,5(12):287~289.［12］徐耀先,解夢(mèng)霞,馬琦等.人類(lèi)性別決定基因的研究進(jìn)展〔J〕.解剖科學(xué)進(jìn)展,1999,1(5):21~26.［13］CapelB.Newbedfellowsinthemammaliansex-determinationaffair.TrendsGenet,1995