第二十章 性别决定基因鉴定及性染色体进化Word格式.docx

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SRY基因具有高度进化保守性，在其它较广泛的物种中也发现了SRY的同源基因，包括果蝇、两栖类、鸟类、北美鱼和其它哺乳动物。

SRY盒基因的发现及其保守性为性别决定机制等的研究提出了新的研究课题。

到具有更低等的进化地位的动物中去寻找性别决定基因或其祖先基因，从进化途径来阐明性别分化发育机制，是该领域研究的热点前沿课题。

SRY基因的发现是哺乳动物性别决定这个研究领域的一项重大突破。

然而，最近的研究发现X染色体和常染色体上某些位点的突变也和性逆转有关，这意味着还存在着另一些基因介入了性别决定。

近年来，人们已克隆了许多涉及性别决定的基因。

至今为止，在哺乳动物中已分离鉴定了一些性别决定基因（表20-1）。

表20-1哺乳动物中已发现的性别决定基因

基因

基因功能

缩写

全称

SRY

（Sry）

sex-determiningregionY

为哺乳动物睾丸决定因子，启动睾丸的分化，是睾丸发育负调节的抑制子

MIH

（AMH〕

Mullerianinhibitingsubstance

使雄性体内的副中肾管退化，阻止其发育成雌性生殖器

Sox9

SRYboxgene9

与人类睾丸决定有关，突变可导致产生46XY性反转

WT1

Wilmtumorgene1

可能在性别分化的早期参与SRY的激活

SF－1

steroidogenicfactor1

可能是AMH基因的直接调控者，是AMH基因激活所必需的，在Sry表达之前启动性腺和肾上腺的发育

DAX－1

DSS-AHCcriticalregionontheXchromosome,gene1

决定雌性发育，SRY仅能抑制其一份剂量

RBM

RNAbindingmotif

精子细胞发生

DAZ

DeletedinAzooepermia

SOX-5

SRYboxgene5

SOX-6

SRYboxgene6

SOX-17

SRYboxgene17

以前广泛地认为Y染色体上的特异重复顺序是由“无用”DNA组成，而Bruce等（1997）认为Y染色体由大量的NRY（nonrecombiningregionofthehumanYchromosome,人类Y染色体非重组区）组成，其上的重复序列区富含基因，包含了大多数NRY的基因的转录单位。

他们通过系统地寻找人类Y染色体上非重组区，克隆了12个新的基因或基因家族，并将它们定位在Y染色体上。

这些基因编码同一类蛋白，并分散在NRY的常染色质区。

这12个基因可分为两类：

DBY、TB4Y、EIF1AY等5个基因在NRY内为单拷贝，具有类似的性质。

每一个在X染色体上都有同源顺序，各编码一个相近的同功蛋白，在人类多个组织中都有表达。

而CDY、BPY1、BPY2、TTY1等7个具有与前者完全不同的性质，仅在睾丸中表达，有多个拷贝。

其中有一些基因可能编码DNA或RNA结合蛋白，包括两个小的蛋白BPY1和BPY2；

两个假定的RNA结合蛋白RBM和DAZ（Reijoetal.，1995）,包含染色质决定子的CDY[一个染色质基序（motif）]。

这些由Bruce等克隆的Y染色体上的特异基因为研究脊椎动物的性别决定机制和性染色体的进化提供了有用的工具。

二、性别决定和分化的信号传导途径

人类性别分化始于胚胎第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。

小鼠性腺约在胚胎第10天开始发育，中肾增厚，第12天两性间出现形态差异，可辨雌雄。

研究表明，人SRY基因位于Yp11.3，含有一单个外显子，长850bp，在起始密码子的上游91bp处有一个主要的转录起始位点（Lovell-badgeandHacker,1995）。

SRY基因携带了一个DNA结合结构域HMG（highmobilitygroup），是一个转录因子，通过与其它基因的结合来改变它们的表达。

MarcoBianchi等发现SRY蛋白与DNA结合能引起DNA发生70度至80度的弯曲。

MariusClove等也通过研究SRY区的HMG功能区和DNA之间的三维复合结构确证了这个结果（Marx,1995）。

SRY-HMG具有一个弯曲的L形结构，以a-螺旋的凹面与DNA结合（图20-1）（Werneretal.,1995）。

SRY蛋白通过插入一无极性的侧链到DNA双螺旋的小沟，并与特殊的核苷酸顺序（5’-AACAATG）结合，干扰碱基堆积（Haqqetal.,1994），引起DNA弯曲，可能是使DNA形成环状，将远距离的调节位点和启动子拉近，以便调节基因的表达。

小鼠的Sry也只有单个外显子，位于一个2.8kb的单一序列的延伸部分，侧翼是一个至少15kb的反向重复序列。

人类SRY和小鼠Sry的HMG盒有71％的同源性，但在此区域的外侧无明显同源性。

Sry在成年小鼠生殖细胞中表达为一个茎环状RNA，不和多核糖体相连，可能不翻译（Capeletal.,1993）；

在鼠胚性腺中，表达为一长4.8kb的线状RNA，所用的启动子也与成年鼠不同。

Giese等（1992）的研究表明，鼠的Sry基因和人类的SRY基因的HMG功能区结合DNA，并使DNA发生弯曲的性质不同。

Sry基因识别更高特异的顺序（5’-CATTGTT），并与DNA的大沟紧密结合。

Dubin等（1994）的实验表明小鼠Sry基因有一个DNA结合区和转录激活区。

Sry活动在发育上的时间进程是严格的，大约在交配受孕后10.5～11天，Sry基因特异地在生殖嵴中启动（正好是两性间形态分化出现之前），12.5天关闭。

因此，Sry基因的功能是启动睾丸分化而不是维持睾丸存在。

近年来又有一些有悖于SRY/Sry决定睾丸发育的报道，SRY基因的突变仅能解释25％的XY性逆转现象，这就意味着可能还有另外一些遗传因子介入了性别的分化。

与SRY基因同样重要的是Zanaria等（1994）在DSS基因座（dosage-sensitivesexreveral，剂量敏感性性反转基因）区域内克隆的一个DAX-1（DSS-AHCcriticalregionontheXchromosome,gene1，X染色体DSS-AHC决定区基因1）基因，与先天肾上腺发育不全基因座（adrenalhypoplasiacongenita，AHC）有关，编码核内激素受体超家族的一个成员,雌性个体中具有两份拷贝，这表明DAX-1基因是卵巢发育所需的。

Amanda等（1998）的研究表明，Dax-1的产物是与Sry的产物相互颉抗，Dax-1表达量的增加导致个体向雌性发育，而Sry活性的增加则引导个体向雄性发育。

在小鼠中，Dax-1在受孕后11.5天时在生殖嵴中表达，但是在雌雄中表达水平相当，表明Dax-1对Sry的负调节发生在转录后水平。

DAX-1能与SF-1形成异二聚体，它可能作为一种辅助抑制因子改变SF-1的性质使其不能激活其目的基因（Itoetal.,1997）。

Haqq等（1994）报道SRY蛋白与缪勒氏抑制基因（Mullerianinhibitingsubstance,MIS）的启动子结合并激活其表达。

研究人员曾认为SRY最佳的下游候选靶基因为抗缪勒氏激素基因AMH（antimullerianhormonegene，亦称MIS）（Marx,1995），为转化生长因子β家族的一员，其主要功能是使雄性个体体内的缪勒氏管退化，阻止其发育成雌性生殖器。

但SRY蛋白并不结合到AMH调节元件上，将SRY表达质粒和AMH报告基因共转染大鼠胚胎的性嵴细胞系中，表明SRY可以通过间接的方式诱导AMH表达（McElreareyetal.1993）。

Duke’sParker等（Marx1995）的研究结果表明，另一转录因子编码甾类因子的基因SF-1（steroidogenicfactor1，甾类生成因子1）可能是AMH基因的直接调控者，是激活AMH基因所必需的。

在细胞转染实验中，SF1蛋白能与AMH基因的上游序列结合并促进其转录。

SF-1属于核内激素受体超家族成员，结构与DAX-1相似，具有分离的配基结合区和DNA结合区，是肾上腺皮质和性腺中甾类合成酶系的一个调控因子。

当剔除小鼠体内的SF-1基因时，小鼠缺乏肾上腺、性腺和下丘脑腹中核（Luoetal.,1994），提示SF1在Sry表达之前启动性腺和肾上腺的发育。

Ingraham等的研究结果表明SF-1的适度表达需要SRY基因的存在。

SF-1基因在性腺中的表达具有性别二态性。

早期雌雄鼠胚均转录SF-1，但交配受孕后12天（两性间出现形态差异）时，雌性SF-1表达水平降低。

Sry基因可能通过SF-1来激活AMH基因（Marx,1995）。

因此，SRY、SF-1和AMH依次作用决定哺乳动物的性别（图20-2）。

在SRY-ORF5’端4.0kb处有一个790bp的CpG岛，可能是WT1（Wilmstumorgene，魏尔门瘤基因）基因的潜在识别位点，表明WT1可能在性别分化的早期参与SRY的激活（Marx,1995）。

WT1编码一个转录因子，剔除该基因的小鼠也缺乏性腺，但它对性腺发育的影响可能从属于一个依赖SF1的途径（McElreavey,1995）。

位于17q24.1-25.1的SOX9（SRYboxgene-9）基因的突变可造成严重的骨质形成异常（CDcampornelicdysplasia）和46XY性反转，Schafer（1995）认为SOX9可能是一个转录因子，是哺乳动物性别决定通路的成员之一，与睾丸的决定相关。

SOX9是一个常染色体基因，其开放阅读框内的失活突变或者上游（17q24-25）的易位均可致病。

突变只存在一个等位基因，提示性反转可能与SOX9蛋白的剂量有关。

但仍未确定SOX9作用于性别分化的哪一个环节。

近10年来产生了几种哺乳动物性别决定的模型，但多数未能完满的解释各种性反转的情况，而McElreavey等1993年提出的Z-基因模型，Bardoni等1994年提出的DSS-基因模型，Jimenez等1996年提出的模型（图20-3）是其中较好的几个。

Jimenez等认为单拷贝的活性DSS能在正常的XX雌性中阻碍雄性发育途径（图20-3b），但在XY雄性中则受到SRY基因的作用失活（图20-3a）。

三、调控配子发生的相关基因

体细胞将随着个体生命的结束而消亡，生殖细胞却随着物种的繁衍而永存。

因此，了解生殖细胞性别分化的意义更为深刻。

但由于检测发生性逆转的生殖细胞没有检测发生性逆转的体细胞容易，目前对调控配子性别分化机制的认识还远不如体细胞的清晰。

就已获得的资料看，二者是迥然不同的。

与体细胞相比，生殖细胞的性别分化机制更为复杂一些。

在哺乳动物中，生殖细胞的性别表型不依赖于其本身的基因型，而是依赖于其周围性腺组织的性别表型。

在小鼠中，大约在交配受孕后10～11天时生殖细胞迁移至生殖嵴，增殖2～3天后显示出性别差异。

在卵巢中生殖细胞进入减数分裂，然后停止在第一次减数分裂的前期，而在睾丸中大约13天后生殖细胞停止在有丝分裂期，出生后继续增殖，直到以后才进入减数分裂。

RBM（以含有RNA-binding-motif而命名）和DAZ/SPGY（DeletedinAzooepermia）是位于Y染色体上的两个基因家族，均编码包含RNA结合结构域的RNA结合蛋白，是人类精子缺乏症因子（azoospermiafactor,AZF）的候选基因（Reijo,etal.,1995）。

研究结果表明，DAZ的缺失可从父亲传递给儿子（Nakahori,etal.,1996），但并不能证明RBM和DAZ是精子形成所必需的。

在灵长目和类人猿中，DAZ/SPGY基因位于Y染色体上，但在其它哺乳动物中，以常染色体基因DAZLA的形式存在（Reijoetal.,1996）。

Matteo等（1997）的研究表明DAZLA蛋白与RBM蛋白不同，是生殖细胞的胞质蛋白，可能通过包装或定位mRNAs而参与翻译调控。

RBM为核蛋白，其功能可能主要涉及在RNA剪接加工等过程之中。

打断Dazla基因导致胚细胞完全缺乏配子产物，这表明Dazla基因是胚细胞分化所必需的，而且Dazla基因在胚胎或成人性腺中的功能不同。

基因型为DazlaTm1Hgu/+的雄性小鼠产生的精子数量减少，而且多不正常，这表明Dazla蛋白的调控具有剂量效应。

在小鼠雌雄两种性别中缺失Dazla基因，则胚细胞有丝分裂停止。

Charles等（1996）的研究表明人类的DAZ基因与果蝇的boule基因同源，二者编码二个非常相近的含有一个RNA结合结构域的蛋白，且都仅在睾丸中表达。

在果蝇中boule是精子形成所必需的（EberhartandWasserman,1995），其功能丧失可导致精子缺乏综合症，减数分裂受阻。

主要缺陷发生在G2/M转换期，而且boule基因在雄性生殖细胞的发育中具有剂量敏感性。

这些结果支持了DAZ基因是人类的AZF的假说，并暗示boule和DAZ基因在果蝇和人类的精子形成过程中起重要作用，是减数分裂细胞周期调控的必需因子。

boule和DAZ基因可能涉及mRNA的加工、定位或转录调控（Nagaietal,1995）。

第二节果蝇的染色体性别决定

一、果蝇体细胞性别决定

本世纪初，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的比率（X:

A）决定这一重要概念的确定，即X:

A的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，可以获得雌雄嵌合体，为研究X染色体和性别间的联系提供了一个完美典范。

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，仅是雄性可育的一必须因素，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三个不同的性别分化过程：

（1）体细胞的性别分化；

（2）生殖细胞的性别决定；

（3）剂量补偿。

这三个过程有着各自的调控体系。

研究工作主要集中在性别分化所必须的基因的鉴定和它们在发育过程中的位置。

突变分析表明，Sex-lethal（Sxl）、transformer（tra）和transformer-2（tra-2）基因的突变可使XX个体变成雄性，但这种突变对XY雄性个体无作用。

Intersex（ix）基因的突变可使XX果蝇成为间性者；

doublesex（dsx）在两种性别的分化过程中都起重要作用，dsx缺失则可使XX和XY个体都发育成间性（Beloteetal.,1985a）。

这些基因在发育过程中位置的确定主要基于两方面：

（1）对果蝇发生两个或更多突变导致的遗传交换的解释；

（2）当完全缺失某一基因时，性别决定的变化。

这些研究结果构建了如图20-4的调控级联模式。

二、Sxl基因——果蝇性别决定的枢纽

果蝇性别决定的第一阶段涉及X:

A的比例信号。

在体细胞性别决定体系中，X:

A比例信号是通过性致死sexlethal（简称Sxl）基因起作用的。

Sxl基因有早期PE和晚期PL两个启动子。

X:

A信号首先直接作用于Sxl基因的PE启动子，在雌性胚胎中启动Sxl的早期转录。

对体细胞及其相应的剂量补偿过程来说，一旦这个遗传开关被确定，就不可逆地进入雌性或雄性发育模式，不再依赖于X:

A比值的存在。

Sxl基因的早期功能是XX胚胎启动雌性发育途径和维持两个X染色体适量转录水平所必需的。

Sx1基因PE启动子的最初激活就发生在合胞体囊胚形成期（受精后的2小时，合子核通过12～13次快速核分裂）（Salzetal.,1989），所以Sxl功能状态在雌性中的开启和维持需母性和合子型遗传因子的共同参与。

1．X:

A信号的分子、分母因素

A是细胞自主的信号，为严格合子型，依作用的不同被分为“分子”和“分母”计数因素。

所谓分子因素就是那些位于X染色体上的基因，增加它们的拷贝数会增大X:

A的比率，激活Sxl，导向雌性化发育，而降低它们的拷贝数则会减少X:

A的比值，使Sxl无法激活而引起雄性化发育。

分母因素指的是具有相反效应的一些常染色体基因。

Cline（1988）认为sisterless-a（sis-a）和sisterless-b（sis-b）是主要的两个分子基因，是Sxl的正调控因子。

改变两种性别中的sis基因数量，会使雌性缺乏应有的Sxl活性或者使雄性不适当地激活Sxl。

由于Sxl同时还控制着剂量补偿过程，由错误的X染色体转录水平所造成的功能性非整倍体将使个体存活降低甚至死亡。

另一个分子因素是runt（run）基因（DuffyandGergen,1991），它的计数作用要比sis基因弱，在胚胎中的分布不均—，只在胚胎的中央区域影响Sxl的激活。

所以run可能不是所有胚胎细胞的性别决定信号成份，或者Sxl的活性需要某些因素在胚胎中的不均一分布。

Daughterless（da）是一个多效应基因，参与多个发育过程，它的母本来源产物对Sxl的早期表达起着正调控作用。

在卵发生时若无da活性，形成的卵在受精后无论其X染色体数量如何，均不能激活Sxl。

缺乏da并不影响XY雄性个体，但对雌性个体是致命的，使2X个体因剂量不适而死亡。

因此，受精后，sis-a、sis-b、runt和da使Sxl仅在雌性胚胎中转录激活（Cline,1986;

CronmillerandCline1987;

DuffyandGergen,1991）。

另一个母本效应基因是extramacrochaetae（emc）。

与da的作用相反，它是Sxl的一个负调控子，emc的突变对雄性有害。

由于da和emc在性别决定中的作用是严格的母本效应，其合子拷贝数不影响合子的性别发育，况且da也不是X-连锁的，所以都不能被称为X:

A中的分子或分母因素。

无论是雄性还是雌性合子，它们都含有相等水平的母源的da和emc基因产物。

这一特点表明它们不象分子因素，因为分子因素本身的启动就是性别信号的组成部分，但却与位于常染色体上的分母因素的情形很相似，均在两种性别中保持了恒定含量。

一个主要的分母因素是dead-pan（dpn）基因（Younger-Shepherdetal.,1992）。

一个具有高比例的sis-b:

dpn雄性个体会激活Sxl并致死；

相反，具有低比例的sis-b:

dpn雌性个体将无法激活Sxl并致死。

这两种致死作用均与Sxl不适当的活性或非活性状态有关，但与是否带有母本来源的dpn多余拷贝无关。

dpn的这种与分子因素相反，与Sxl活性相关的数量作用，以及它位于常染色体上的特点，表明了它是一个不折不扣的分母因素，只是其效应不及sis基因那么强。

另一个分母因素是extramacrochaetae的基因（emc），亦为母本效应基因，其蛋白与da竞争Sxl启动子结合位点。

与da的作用相反，它是Sxl的一个负调控子，emc的突变对雄性有害（VanDorenetal.,1991）。

对X:

A信号因素的进一步筛选并不如意。

在分子因素的寻找中，获得了siste-rless-a基因的一系列等位基因（Cline,1993），而在分母因素的筛选中只发现了七个不同强度的sis-a抑制子突变株。

另外X染色体上的两个不同区域17A9-1O；

17A12-B[Df

（1）N19]和7D10;

7F12[Df

（1）RA2]对Sxl的活性也显示有作用，只是其中Df

（1）RA2区域的作用是母本来源的。

基于这些因素的作用实在太微弱，不足以担当分子或分母之名。

研究发现，缩短SxlPE启动子上游的调控区域，会降低启动子对性别决定信号的敏感性（Keysetal.,1992）。

参与这一过程的几个基因中，sis-a编码的蛋白含有锌指蛋白转录因子家族的基本结构域，RUN蛋白是属于一个新的能与DNA结合的异二聚体转录调控蛋白家族的成员；

SIS-A、SIS-B、DPN和DA均为螺旋-环-螺旋（HLH）转录因子。

分子和分母蛋白可能相互形成。

假设分母蛋白可形成异二聚体阻碍激活子（SIS和DA）的作用（图20-5），那么X:

A信号比例就是通过X编码的激活子和常染色体编码的抑制子对Sxl的启动子的竞争来测量的。

对整个果蝇个体来说，Sxl基因遗传开关的设定是相当精确的，那些Sxl表达状态与其X:

A比率不符的细胞将在发育中呈生长不利而逐渐被清除。

然而，Sxl最初的激活并不意味着“开”（on）状态的完全确立，其遗传功能的真正实现还需要在以后的发育过程中不断维持Sxl开/关的稳定状态。

2．Sxl功能的维持

Sxl的