果蝇精子形成过程中基因调控的分子机制.docx

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果蝇精子形成过程中基因调控的分子机制

果蝇精子形成过程中基因调控的分子机制

海伦.白-库伯

卡迪夫大学生命科学学院博物馆大街CF103AX，UK

通讯作者海伦.白-库伯电子邮件地址：

white-cooper@cf.ac.uk

摘要：

从形态上普通的细胞分化成为高度专一、能够独立生活、具有活力的细胞，精子细胞的分化需要大量基因产物的协调作用。

这类产物的表达必须是在发育环境下进行调控，以确保正常的细胞分化。

精子形成过程中的许多必要基因在动物体内是不发挥作用的，也许在其它地方表达，但使用不同的转录调控模板。

因此，精子的形成过程是一个非常好的阐明组织特异性基因表达原理的系统。

同样，对于它本身的正确性也变得有趣起来。

在这里，我讨论了果蝇精子形成过程中基因表达的调控，重点论述了雄性生殖细胞系中睾丸特异性基因的表达过程。

果蝇睾丸的解剖学和细胞生物学结构

果蝇的睾丸是由肌肉和色素细胞组成的具有盲端的管状结构构成的，管中充满了雄性生殖细胞和支持细胞。

详见Fuller在1993年对果蝇精子形成的详细描述。

在管的一端有一个厚的基底层区域，覆盖着由20个有丝分裂后hub细胞构成的小集群，它们构成了一个维护正常干细胞的信号中心。

分布在hub细胞周围的是两种干细胞群，生殖细胞系细胞的每一次减数分裂都会再产生一个生殖细胞系细胞，并且还产生一个精原细胞。

（体细胞）囊状祖细胞的每一次减数分裂都会再产生一个囊状祖细胞，并且还产生一个囊状细胞。

尽管囊状祖细胞的分裂同样也会产生新的hub细胞。

两种囊细胞都包裹住精原细胞，并形成了囊状结构，并且与哺乳动物睾丸中的支持细胞有相似的功能。

现在，这些囊状细胞处于后有丝分裂期，与此同时，这些囊状精原细胞经过4次有丝分裂形成16个初级精母细胞。

就像哺乳动物精子的形成一样，形成精子的分裂也是以不完全胞质分裂、姐妹细胞间以稳定的胞质桥梁相连接为特征。

初级精母细胞迅速通过减数分裂前s期并进入持续超过3天的细胞循环G2期，在此期间，细胞体积明显增大，经过两次减数分裂形成的64个圆的精子细胞仍然包在一个囊中。

并且相互协调联系产生极化，所以，这个囊状结构本身就是不对称的。

在精子细胞的伸长阶段，两种囊细胞的不同之处变得明显起来。

头部的囊细胞覆盖在精子细胞的尾部，而尾部的囊细胞压缩正在伸长的尾部。

囊细胞调整精子的头部朝向睾丸的底部，而尾部则朝向睾丸的顶端伸长。

最后，充分伸长的精子细胞再进行个体化发育，在此期间，将挤出多余的细胞质，个体发育完的精子细胞在睾丸的底部呈圆圈状，直到被排入精囊中。

果蝇睾丸中的基因表达

原始的增值中心

在睾丸的顶端区域含有hub细胞，干细胞（生殖细胞系细胞和囊祖细胞）以及有丝分裂精原细胞囊，它们共同构成了原始的生发中心。

在这里，基因的特异性表达似乎涉及到干细胞的行为调节作用，促进干细胞发育成与hub基因相关的细胞，并且促进从hub中移走的细胞的分化。

几种信号通路解释了这一过程。

包括所有种类干细胞的中JAK-STAT信号的激活，并与hub的配体进行反应，以及生殖系细胞的和精原细胞的中DPP通路的激活。

最近，这几种通路在其它领域也受到了重视。

有这些信号事件决定靶细胞中发生转录改变的研究已经取得了进展。

通过扩配的生殖系干细胞和扩配的精原细胞相比，发现，在hub或干细胞中的特异性表达上存在很少的相关基因。

但是发现了一个在干细胞JKA-STAT信号通路潜在靶基因。

一个把基因、锌指同源-1以及转录因子是必须且足以囊祖细胞的，通过抑制与囊祖细胞分化的相关基因的表达，有趣的是，囊细胞中的锌指同源-1的持续表达阻止了囊干细胞自身的表达以及生殖系细胞的非自主关闭的分化。

这表明，睾丸顶点区域的信号发生要比之前我们想的要复杂得多，并且，我们对两种干细胞的行为上的协调作用的机制还不清楚。

初级精母细胞的激活一个特异的转录程序

对于雄性生殖系细胞来说，有丝分裂的完成以及进入精母细胞阶段标志着一个戏剧性的转折点。

我不知道在动物的雄性生殖系干细胞和囊细胞中表示的任何一种基因是否在其它细胞中也表达，睾丸特异性基因的表达在精母细胞中被激活。

20世纪60年代和70年代进行的将3H-尿苷整合到转录产物的实验表明，在哺乳动物的精子中存在减数分裂后转录。

相似的关于果蝇的影像研究表明，在成熟的初级精母细胞阶段开始将3H-尿苷整合到转录产物中没有协调作用。

因此，尽管减数分裂后转录被认为普遍存在于哺乳动物圆形的精子细胞中，但直到最近它才被认为在果蝇的精子形成过程中不存在。

这表明，在精子形成过程中所需要的蛋白质都是在初级精母细胞中转录形成的，并且一直都被储存着，直到被需要利用。

这包括，例如精子尾部的蛋白质Donjuan以及许多其它的蛋白质都是在初级精母细胞核中合成的，并且都保持着翻译抑制状态并持续几天，直到精子形成的后期阶段。

脊椎动物中也是如此，尽管也存在减数分裂后转录，但都被染色质的浓缩所抑制，并且在精子形成的后期需要依赖于储存mRNA的翻译。

初级精母细胞中的基因表达

对成体的不同基因芯片分析表明，基因组织中大约50%的基因在睾丸中表达，并且在成体中检测到的8%的转录产物是睾丸特异性的，而且还有5%是在睾丸中扩增的。

因此，与其它组织相比，睾丸中表达的全部基因中的25%是睾丸特异性的或者是在睾丸中扩增的，相似的研究表明，这些基因在睾丸中表达，但不是编码蛋白质的作用。

精子中的全部蛋白质被证实是由350种蛋白质组成的，这些蛋白质中的50%是睾丸中富含的或者是特异性转录产物。

令人欣慰的是，已知的精子特异性蛋白，例如B2-微管蛋白和胞质动力蛋白都在数据库中可以查到。

睾丸特异性或是睾丸中扩增的基因大体上要分为两类，一类是在其它组织（有时是睾丸）中表达的含有明显的共源产物，另一类则是不含有共源产物。

表1列出了这两类基因的基因片段，表明了何种基因在果蝇的初级精母细胞中表达。

这个列表中显示出了多种不同基因本质上的分类，包括，代谢、胞质骨架以及染色质的组织等。

然而或许是依据基因本质上进行的睾丸特异性基因和睾丸蛋白质分类所得出的结论就是，最大的一类是“无功能预测”在果蝇基因组中，仅限于睾丸特异性精子蛋白组基因本质上的分析是特别引人注意的。

这些基因中得很小一部分有功能预测，甚至在这些已经进行了功能预测基因中很少进行过检测，大多数基因的功能是不明确的。

X染色体上基因的表达

已有实验证据表明，在雄性中，对于基因发挥主要作用而言，X染色体不是一个非常好的地方，并且有一个X染色体的雄性偏置和睾丸偏置影响基因以外的一般模式。

通过复制会产生一对基因，常染色体副本要比与X染色体相关的副本更加具有睾丸偏置影响表达。

潜在的进化力量推动了这些事件的进行，包括性antogonism，因为雄性是X单倍体，所以与X相关的等位基因的复制要比雌性花更多的时间，因此，变异对雄性有利而对雌性不利就被相应的选择出来了。

精子形成过程中X染色体的失活将会给与X相关的精子形成基因的相对基因更强的选择作用。

这两种力量共同推进了X染色体失活的假说。

同样，在脊椎动物精原细胞的减数分裂中X染色体也会失活。

并且对于X染色体是在果蝇的初级精母细胞中失活的说法在较长时间内存在争议。

这个观测结果对一大类的睾丸中丰富的基因和一小类体细胞中丰富的基因都是正确的的。

通过质谱分析发现，构成精子的381种蛋白质中只有43种是由X染色体编码的，这再一次证明了存在于X染色体上的镜子基因的不足性。

有趣的是，尽管如此，仍有大量的与X染色体相关的基因是在睾丸中特异性表达或扩增的。

这表明，在这里确实有一些激活子发挥了作用。

与全部的成体样本相比，在睾丸中最丰富的50种基因中，13种存在于X染色体上。

对于结构基因，如sdic基因和与X染色体相关的筑丝蛋白基因家族的扩大串联而言，X染色体的确是一个好的地方。

最近一个将转基因插入X染色体与插入常染色体在表达上的比较分析表明，至少有一种睾丸特异激活子要比插入常染色体中更高效的发挥了功能，尽管这个表达作用是在与X染色体相关的插入中检测的。

这表明，在X染色体上存在着一个较低水平的表达，尽管对其它激活子的大部分观察结果还未进行检验。

减数分裂阻滞位点：

初级精母细胞中基因表达的调控

尽管在精子细胞分化的过程中有多种细胞内事件的协调作用，遗传分析表明，大多的形态上的事件都是独立调节的。

例如，精子细胞的伸长涉及到鞭毛轴丝的合成、线粒体融合以及线粒体衍生物的伸长和质膜的极性生长等。

突变的精子细胞fws中，保守的低聚高尔基体亚基，或是syntaxin5，它们都对内质网-高尔基体物质运输非常重要，它们可以启动轴丝和线粒体的伸长等，但在这些男性体内（xuetal.2002,Farkasetal.2003）细胞不能生长，囊细胞也不能伸长.在精子突变体fzo中，丝裂融蛋白以及线粒体融合不能发生，但精子细胞可以伸长。

令人惊讶的是，精子细胞的分化并不完全依赖于减数分裂的完成，细胞周期激活因子交织引起精子细胞的突变，使细胞不能发生减数分裂而是使精子细胞发生分化成为4N，16个细胞构成的囊状过程。

尽管特别的形态事件发生具有独立性，但遗传学分析揭示了精子基因组程序是如何协调的。

在精原细胞arrest发育过程中，发现了一类“减数分裂阻滞”突变体，它们不能进行减数分裂或精子细胞的发生。

雄性突变体睾丸中的减数分裂阻滞位点仅仅包括精子形成过程中直到成熟初级精母细胞的各个阶段。

这些睾丸中的初级精母细胞，它们既不进行减数分裂也不促进精子细胞的分化，在发生减数分裂阻滞突变的睾丸的底部区域明显含有退化的细胞。

这些睾丸与患有成熟减数分裂Ⅰ精子细胞缺乏症病人的睾丸相似。

减数分裂阻滞位点分为两种不同的表型

对第一次减数分裂突变体的细胞核结构检测表明，can,mia,sa突变体中部分凝聚染色体的结构与正常前期Ⅰ的结构相似。

相反的是，在aly基因突变的精母细胞中，染色体在形态上是非常分散的，并且染色体显得非常模糊。

为了弄明白减数分裂阻滞突变体是如何影响减数分裂和精子细胞分化的过程，我们检测了几种对这些过程十分重要的基因的表达情况。

对初级精母细胞功能很重要的基因在突变的精母细胞中表达了，这表明，在初级精母细胞中，减数分裂阻滞基因不是转录的全部激活子。

令人惊奇的是，我们发现，精子形成过程中起重要作用的基因的mRNA在can,mia,sa基因突变的初级精母细胞中表达量很低，并且在aly基因突变的初级精母细胞中检测不到。

aly基因突变体在细胞周期的转录方面与其它几种突变体表现不同：

aly基因突变体需要Twine基因的转录产物，但是can,mia和sa突变体需要的是转录后的Twine蛋白产物，因此，我们推断，在初级精母细胞中，减数分裂阻滞基因对转录是很重要的，在精子形成过程中，主要的基因产物发挥作用。

我们进一步推断，减数分裂阻滞基因又可细分为aly基因类和can基因类两类，且这种分类在最近关于减数分裂阻滞位点的发现中应用。

aly类基因突变体影响睾丸中多于1000种基因的转录，然而can类基因突变体则有些局限于靶基因。

大约有150种基因可以在can类基因突变体中表达，而在aly基因类突变体中则不能。

而且，aly类基因的无效突变体明显的削弱了靶基因的表达，尽管靶基因的表达作用减弱了，但在发生can类基因突变的睾丸中可以检测到它。

aly类基因的产物形成了睾丸特异性TFⅡD共源复合物

多亚基转录因子复合物TFⅡD是由TATA-结合蛋白和多达12个TATA-结合蛋白相关因子构成的，它在促进基因启动子区域与RNA核糖核苷酸聚合酶Ⅱ之间的相互作用方面发挥了关键的作用。

can基因的克隆表明，它编码了与无处不表达的TAF,dTAFS物质共源的睾丸特异性物质。

mia,sa,rye基因的克隆表明，它们也编码组织特异性物质TAFs，这就产生了一个假说，即存在一个无处不需要TAFs物质的睾丸特异性区域。

睾丸TFⅡD物质包含由can基因减数分裂阻滞位点编码的TAFs，由TAF1和TAF2混杂而成。

一个TAF1与同型的TAF1相连，并且在睾丸中大量扩增。

假设这个启动子与靶基因相互作用，则复合物中也会含有TBP（或几种