第八讲性别决定基因鉴定及性染色体进化

第二十章性别决定基因鉴定及性染色体进化性别决定机制的探讨一直是生命科学研究中最具吸引力和最热门领域之一。对两性生物而言，性别与分化是个体正常发育和自下而上不可缺少的一环，也是种族得以繁衍延续的物质基础。自古以来有很多关于性别决定的稀奇古怪的说法，随着科学技术的发展，人们认识到雌性和雄性个体在形态、生理和行为的许多特征及基因产物上才有很大的差异，然而它们在遗传信息上绝大部分是一致的，这就更引起了人们的兴趣，去揭示其中的奥秘。至今，对性别决定机制的研究已经形成了由遗传学、发育生物学、分子生物学及进化等多学科交叉的前沿研究领域。性别发育是一个多基因调控的复杂的分化事件，是对两套可轮换的遗传程序之一的精确决定和执行，而其分子机制及其多样性使得性别决定机制的研究成为有关胚胎发育过程中分子调节开关如何起作用的一个丰富的信息源泉。发育生物学家的目标是追溯出性别决定和分化的基因通路，并以性别决定机制作为一种模式去理解发育的各个过程。同时，研究人员也致力于研究在大脑中是如何导致产生特殊的性行为，以及在不同的生物中，进化是如何产生截然不同的机制而最终获得相同的结果。在无脊椎动物中，研究人员以果蝇和线虫为实验对象，已接近实现这个目标，可绘制出详细的信号转导过程，其研究领先于脊椎动物；在低等脊椎动物中，性染色体的分化程度较低，而且其性别决定受环境的影响较大，研究人员在此领域一直没有获得突破性进展；在哺乳动物中，已经克隆了一些调控性别决定和分化的基因，追溯出性别分化早期的一部分信号通路，并先后提出了一系列模型来解释哺乳动物的性别决定机制。由于线虫和果蝇决定性别分化的基因完全不同，哺乳动物又具有不相关的第三套基因，这使得研究人员无法应用从简单生物中所获得的信息来指导对高等生物的研究。因此，脊椎动物性别决定基因及其作用机制的研究主要依赖于本身的研究系统。第一节哺乳动物的性别决定一、性别决定基因的鉴定20世纪50年代确立了哺乳动物性别决定的两条规律：第一，性腺的分化决定了性别的分化，这条规律是通过一系列胎兔阉割实验确立的；第二，Y染色体决定雄性，这条规律是在发现性逆转病人的基础上确立的。哺乳动物性别决定基因的鉴定主要也是来自于对性反转动物的研究。现在已经发现的性别决定基因见图20－1。二、性别决定和分化的信号转导途径人类性别分化始于胚胎发育第4周，生殖嵴发育成包括皮质和髓质的未分化性腺。男性由髓质分化成睾丸，而皮质萎缩；女性由皮质分化成卵巢，而髓质萎缩。内生殖器起源于中肾管和副中肾管。男胚中肾管分化成精巢、输精管和副睾，副中肾管退化；女胚副中肾管发育成输卵管、子宫和阴道的前1/3部分，中肾管退化。（图20－2）（20－3）中B图认为单拷贝的流行性DSS能在正常的XX雌性中阻碍雄性发育途径，A图中XY雄性同受到SRY基因的作用失活。二、果蝇的染色体性别决定一、果蝇体细胞性别决定20世纪初，一系列遗传学实验结果导致了“果蝇的性别由X染色体和常染色体数目比率决定（X：A）”这一重要概念的确定，即X:A比值形成了最初的个体性别决定信号。在果蝇和大多数昆虫中，可以获得雌雄肉体嵌合体，为研究X染色体和性别间的联系提供了一个完美的典范。对这些雌雄嵌合体的研究发现，Y染色体在果蝇性别决定中无任何作用，仅是雄性可育的一个必需因素，在精子形成过程中被激活。由X:A信号启动的果蝇性别决定包括3个不同的性别分化过程：一是体细胞的性别分化；二是生殖细胞的性别决定；三是剂量补偿。这三个过程有着各自的调控体系。具体见图20－4。二、体细胞的剂量补偿果蝇的体细胞存在类似哺乳动物的剂量补偿问题。哺乳动物是通过雌性胚胎体细胞中2条X染色体之一的随机失活来完成这一平衡过程的，但是果蝇体细胞的2条X染色体是同时被激活的，因此，它的剂量补偿可以通过降低雌性中X连锁基因活性的负调控来实现，也可以通过提高雄性X连锁基因活性的正调控来实现，那么究竟是那一种剂量补偿方式呢？X:A比例不仅启动果蝇体细胞性别决定，也是体细胞剂量补偿的起始信号。性致死Sxl基因，作为果蝇性别决定的枢纽，也是这一过程的开关调控者。但是在随后起作用的是另一套独立的调控基因，即被全称为msls的4个基因。在雌性体细胞中，msls突变无任何效应，表明雌性个体不需这些基因的产物。但对雄性来，msls发生突变，雄性X连锁基因的活性水平则低于正常值，此雄性突变体在幼虫晚期和蛹早期死亡。这些结果表明剂量补偿是通过提高雄性X连锁基因的活性的正调控过程来完成的。在雌性中，X：A之比为1，Sxl基因被激活，从而msls基因则处于非活性状态，X连锁基因以基础水平转录；而在雄性中，缺乏有功能的SXL蛋白，msls基因被激活，使X染色体高水平转录。第三节线虫的性别决定线虫通常有两种性别表型：雌雄同体和雄性。大多数个体为雌雄同体，同时具有精巢和卵巢。在幼虫期，产生精子并储存在生殖道中，而成虫产生卵子，当卵子进入子宫时就被储存的精子所受精。线虫的自体受精则产生更多的雌雄同体个体，仅有0.2%的后代为雄性。雄性个体能与雌雄同体个体交配，因其产生的精子比雌雄同体产生的内源性精子更具竞争力，这样交配产生的后代有高达50%的雄性个体。在线虫中，XX为雌雄同体，XO为雄性。与果蝇一样，性别由X染色体和常染色体的比值所决定。具体见图20－6。图20－7是假设的线虫性别决定基因相互作用简图。第四节鱼类的雌雄同体和性逆转在蠕虫和昆虫中雌雄同体是不常见的，在脊椎动物中就更罕见了。在鸟类和哺乳类，雌雄同体是病态的且不育。脊椎动物中大多数雌雄同体动物存在于鱼类，并分为三种类型，一种为雌雄同熟；一种为雌性先熟；一种为雄性先熟。在鱼类中还存在着性逆转现象。识别性逆转的最有力的手段是直接观察已确定的个体，如起始为雄性，后来转变为产卵的雌性。当雌雄个体在外部形态和颜色上有明显差异时，就提供了性逆转的可信的证据。另一个用于鉴定性逆转的手段是通过对确定性别的个体进行系统的活性组织检查。如精巢中存在卵巢腔是性逆转的有力证据。在实验室中常利用社会系统改变导致性逆转的研究方法来判断一个种类的性逆转，或分析引起性逆转的社会原因，如许多珊瑚礁鱼类可在实验室中建立雌雄比为1：1（单配组）体系和多配组体系。早在40多年前，就有了个体大小决定性逆转的说法，至今仍有人坚持，但并没有实验证据表明在恒定的条件下个体达到某个特殊年龄和大小时就发生性逆转。然而，野外和实验室观察表明，有17种原性逆转是由社会因素或行为因素引起的，但这观点并不适用于所有种类。性逆转发生以后，其配子细胞可能有2个来源。第一，在原始性别发育期间，有一个静止的2种生殖细胞的潜在库。性逆转时，潜在库就开始产生适宜的生殖细胞。第二，在早期发育中可能产生了2套分化的细胞，这2种细胞在第一成体性别期间一直保持着，当第二套分化的细胞扩散到整个性腺时，就发生性逆转。无论是第一种情况的快速分化和增殖，还是第二种情况的已分化细胞的简单增殖，都可以由外界因素对配子细胞施加影响而诱导产生。单性物种始终是性别进化研究争论的焦点之一。绝大多数哺乳类和鸟类等高等脊椎动物行有性生殖，而爬行类和鱼类等低等脊椎动物中，行有性生殖或无性生殖，但不会同时具备2种生殖方式。而银鲫却同时具备两种生殖方式，即雌核发和两性生殖。当用异源精子与银鲫卵子受精时，精核不解凝，呈凝固状态，仅刺激银鲫雌核的发育，所获后代全为雌性，此过程为典型的雌核发育。单用同源精子银鲫卵子受精时，进入的精核可解凝成雄性原核，而且雄性原核可与雌性原核结合，所获得的后代中有一定的雄性个体，这个过程类似于两性生殖。银鲫的这些特性使得其在脊椎动物进化过程中位于单和两性的过渡阶段，它将有助于解答银鲫进化生物学上的许多问题，如非必需基因、性别的起源与进化和遗传重组等。第五节环境因子与性别决定在低等脊椎动物中，性别决定与分化受环境因素的影响较大，这些因素有温度、光照、PH值、离子强度、食物供给、外源激素及动物群体行为等。银鱼属的性别决定，在其幼虫完全变态之前的发育时期，受到遗传和依赖温度的环境因子的调控，且不同母本的后代的性比率差异显著，对温度的反应也不相同，这意味着雌雄异体的鱼的性比率可能受到环境因子的影响。采用药饵投喂或浸浴幼鱼的方法，可利用性激素诱导改变鱼类的生理性别，现已在金鱼、罗非鱼、鲤鱼等鱼类中获得成功。而在碱性水中孵化的有些鱼类，其性别比率强烈地偏向雄性，而在酸性的水中，偏向雄性。孵化温度可以决定某些爬行动物的性别，在大多数龟和鳄鱼中，受精卵发育的一段特定时期，温度是性别分化的决定因子，而且温度的微小改变也会引起性率的剧烈改变。通常，卵在低温（22-27℃）下孵化，产生一种性别，而在较高温度（30℃）下孵化则产生另一性别的后代。同一批卵仅在一非常狭窄的温度范围内孵化呆同时产生雌雄2种后代。判定决定性别分化的发育时期可以通过将卵在产生雄性的温度下培育一段时间再转入产生雌性的温度下培育的方法来研究。如密西西比鳄的性别决定。研究表明，在孵化的7－24天的是性别分化的决定时期。卵在30℃或更低温度下孵化产生雌性鳄鱼，而在34℃或更高的温度时则全产生雄性后代。而且，当其巢建筑在土堤上（接近34℃）产生雄性后代；建筑在湿沼泽地（接近30℃）产生雌性后代。一种蠕虫的性别决定依赖于其幼虫的生长环境。雌性是附着在海洋岩石上的生物，长大约10cm，具有一个可延伸至1m长的吻突。吻突具有2个功能，一是将食物从岩石上扫入其消化道中，二是将幼虫产在吻突上，并由此进入雌性口中，迁移至子宫，长成1－3mm长的雄性。因此，当幼虫附着在岩石表面，发育为雌性；但当相同的幼虫附着在雌性的吻突上，则发育成雄性。雄性个体终生生活在雌性个体向上，为其卵授精。当幼虫在无雌性成虫的环境中培养，大约90%幼虫发育成雌性；而当这些幼虫在有雌性成虫时，70%的个体附着在吻突上，发育为雄性结构。幼虫雄性分子研究可以通过抽提雌性的吻突来进行。当幼虫在无雌性成虫的正常海水中发育，大多数个体发育成雌性。当在含有吻突组织抽提液的海水中生长时，大多数个体发育成雄性或间性体。因此，环境因子是决定某些低等脊椎动物性别的关键。在这些动物中，雌性和雄性在遗传上并没有区别，环境信号启动基因的表达不同，从而影响动物的性别。第六节性别及性染色体的进化一、调控性别的遗传途径及其进化在动物界，存在有性生殖和无性生殖两种主要的生殖方式。绝大部分动物行有性生殖，但有性生殖似乎得不偿失。对生物而言，性别常常意味着需要花大量的精力去寻找配偶，并与之交配；对细胞而言，雌雄基因组必须重组，并不能发生任何重大错误；配子发生和谐的融合，而且维持种间障碍。对每一步而言，为了使整个种获利，不同性别的利益冲突必须精确地协商解决。有性生殖占主导地位，这促使研究人员去探讨性别能提供什么样的进化优势。关于这个问题的争论依然很激烈，主要集中在2个问题上：第一，为什么最初进化出性别？为什么性别在自然界普遍存在？第二，这些复杂的性别系统是如何进化而来的？在20世纪的前半叶，细胞遗传学的研究表明，性染色体在动物种间，甚至非常相近种间的存在着变异，这意味着性染色体进化较快。而且，此后的遗传学研究表明，即使在一些染色体明显相同的种间，性别决定机制也显著不同，这就进一步加宽了性别决定机制潜在的变异性，甚至鉴定出了性别决定机制在种内的差异。二、性别决定发生改变的节律在许多理论和实验去研究性别决定突变是如何固定在自然种群中的。从这些研究中可以得出3个结论。第一，不是所有的改变都是平等的。每一种改变的频率高度依赖性别决定的遗传结构基础。第二，在许多种中，最初的性别决定机制与性别的二态性紧密联系在一起，而这种二态性通常与性染色体所携带的基因的不同相关。异型染色体的存在极大地影响了性别的改变。第三，性别决定的转换在一些有利的方面。除去所有的内在因子（遗传结构和异型染色体的存在），同样也有一些外在的因子影响性别决定变异固定下来的可能性。考虑到对性别决定基因的选择压力，产生了一个要讨论的问题：性别决定基因以较快的速度进化。曾经有人认为性别决定基因的快速进化与正向选择压力有关。一般认为，异形性染色体是由原始的同源染色体演变而来的，异配