1、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
2、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
3、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
4、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 201。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 202） （203）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
5、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204。二、体细胞的
6、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
7、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
8、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 206。图 207 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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 724 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
14、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 13mm 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
15、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
16、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
17、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
18、体演变而来的，异配性别的 2 条性染色体只有在保持隔离的情形下，相对的性别决定才能积累在原始的性染色体上。隔离是性染色体分化的一个重要的条件。隔离可能来自 XY 或 ZW 之间的同源片段的缺失、重复、倒位等局部变化。从原始的些须同体进化到雌雄异体的关键涉及两步突变：雄性不育突变使雌雄同体转变为雌性；雌性不育突变使雌雄同体转变为雄性。假设一个原初隐性雄性不育突变，为防止交换而在其非常近的连锁位点上会发生一些雌性不育突变。这一系列的突变将产生携带雌性可育、雄性不育基因的原始 X 染色体和携带雌性不育、雄性可育的原始 Y 染色体。对两性差异的选择将导致在原始 X、Y 染色体之间一个较宽的区域内遗传物
19、质的交换减少。而缺乏交换将在 Y 染色体上积累有害突变、转座因子、串连重复 DNA。在许多无脊椎动物和脊椎动物中，染色体结构上的微小变化也会导致性染色体间 DNA 顺序在组织上有很大不同，从而使 Y 染色体与 X 染色体不同，除了性别特异的功能外， Y 染色体累进地丢失有功能的序列，而其它遗传物质是惰性的。Y 染色体上有害物质的积累是一个随机的过程或通过与有利的 Y 连锁的突变等位基因的结合而扩展开来。在异配生殖中，与 Y 染色体相比，X 染色体上与性别无关的区域的活性相对于 Y 染色体而言增加了，因此必须进化了一个剂量补偿系统。尽管在不同的分类群有着独立的起源，构成染色体水平上的性别决定的分
20、子机制的性质是大致相同的。鱼类在脊椎动物的系统演化中处于承前启后的地位，是揭开包括人类在内的所有脊椎动物进化奥秘的关键。鱼类的性染色体的分化处在不同的时期，其进化以极其多样的方式进行。鸟类的 Z 染色体与哺乳动物的 X 染色体具有不同的基因，表明它们在过程中具有不同的起始遗传物质。在脊椎动物中，X、Y 染色体具有高度的同源性，这与性染色体由一对同源染色体进化而来的假说相一致；有袋类动物中，仅失活父源的 X 染色体，可能是真兽类 X 染色体随机失活的一种中间过渡状态。有袋类动物和人类在 X 染色体长臂和短臂近端部分的位点的保守性，表明祖先 X 染色体也存在着这些位点。相反，在人类 X 染色体短臂
21、上(包括拟常染色质区或 X、Y 重组配对区)，定位了有袋类和单孔类动物的两个常染色体基因簇。这表明 X染色体的短臂的大部分来自于常染色体向祖先 X 染色体的易位。在有袋类的 Y 染色体上发现了 Sry 基因的同源序列，而在单孔类尚未发现类似序列，这表明 Sry 祖先基因的表达方式。性染色体进化假说，原始 X、 Y 染色体为常染色体，性别由环境因子或基因 (与现今的性别调控基因座不同)调控。(图 20-8)所示的基因 SOX3 和 SST(sexual selected trait ，性别选择特性基因)分别为可能的性别决定基因和性别选择基因。 SOX3 是一个已知的位于哺乳动物X 染色体上在，S
22、ST 基因目前是理论上的。最初，SOX3 和 SST 的 2 个等位基因在功能是一致的，见图 20-8a。在进化过程中，一个原始性染色体上的 SOX3 基因发生突变，从而具有睾丸决定的功能，最终由 SOX3 进化为现在的 SRY 基因。含有 SRY 基因的性染色体被定义为 Y 染色体(右边)，而含有 SOX3 基因的被定义为 X 染色体( 左边)，SRY/SOX3 的个体为雄性，SOX3/SOX3 的个体为雌性。在这个阶段，没有选择压力促使性染色体分化，见图 20-8b。Y 染色体上的第二个位点 SST 突变为 SSTM(sexual selected trait in male，雄性性别选择
23、特性基因)有利于雄性个体携带，并扩展到整个种群中。SRY 和 SSTM 重组获得的重组体不具备这种优势而不能扩展，见图 20-8c。由 X 染色体突变产生 XIST 基因，通过雄性减数分裂过程浓缩未成熟的性染色体来抑制 SRY 和 SSTM 间发生的重组，以稳定 Y 染色体上 SRY 和 SSTM 间的有利的排列，见图 20-8d。在 Mullers ratchet 的作用下，Y 染色体开始积聚突变(由图上*表示 )，且因倒位等因素抑制重组，见图 20-8e。当 Y 染色体积聚突变时，X 染色体上基因的活性互补性增加，以补偿 Y 染色体上基因活性的丧失， XIST基因的活性适应了 X 染色体失
24、活的功能，以平衡雌雄个体间 X 连锁基因的表达水平；Y 染色体上大块基因缺失，获得大面积异染色质。原始 SSTM 基因可能被丢失，而获得新的雄性有利突变。而且通过添加染色体片段等方式 Y 染色体获得新的基因，即PAR(pseudoautosomal region，假常染色质区)，这些添加的基因在进化中可能渗入到 Y 特异区域而获得新的功能，见图 20-8f。X 染色体失活的进化假说：在进化过程中，雄性个体 X 染色体的浓缩发生在雌性个体一个X 染色体失活之前，而且二者都应用了 Xist 激活机制。异型性染色体的进化导致了雄性仆人可不配对染色体片段的出现，见图 20-9(a)，(b) ，不利于性
25、染色体间有害交换的发生和非同源配对。在发生次数分裂的细胞中富含诸如核酸酶等因子，由于不配对染色体暴露在这些因子的作用下，可能受到损坏。假设为了减少这些潜在的有害效应，选择了一种染色质浓缩机制，产生 X 染色体的兼性异染色质， ，见图 20-9(c)，极大地阻碍了酶的作用。X 染色体的保护性浓缩由 Xist RNA 所介导，其表达受 X 失活中心调控。雄性个体在减数分裂过程 X 染色体浓缩的一个不可避免的结果是 X 连锁基因的失活。性染色体的异形性，不论其起源方式，都需要产生剂量补偿系统以平衡雌雄间 X 连锁基因的剂量。现在已提出几种剂量补偿机制，在雌性哺乳动物中，通过浓缩而失活，很可能是通过在
26、雄性个体中所获得的 Xist RNA 机制的补充形式来完成， ，见图 20-9(c)，(d)。有趣的是，在精子形成过程中Xist 基因的甲基化方式与雌性外源胚胎组织 X 染色体非随机部分失活一致。XY 小体中失活 X 和 Y 染色体的结合特性及巴氏小体失活 X 染色体的特性在 2 咱性别可能是由相同的分子机制作用的。根据对人类 X 和 Y 染色体上 19 对同源基因片段的分子进化资料进行了分析，发现这 19 对基因可依其碱基替换率而明显地分成 4 组，每组分别与一个进化年代相对应，同时他们也在参考了近年来对单孔类、有袋类等低等哺乳动物性染色体分子进化分子进化研究资料的基础上，提出了哺乳动物祖先
27、到人类的性染色体进化的 4 个阶段(four evolutionary strata)的假说，指出在这 4 个进化阶段中，Y 染色体经过 4 次倒位，分别形成 X 染色体的一部分，这 4 部分按照进化时期集依次排列联结，最终构成人类的完整 X 染色体。见图 20-10。第七节 性行为的发育一、组织激活假说若将胚胎或刚出生的婴儿置于特殊的激素中，会导致其中枢神经系统发生永久的性别专一的变化吗？在雌性小鼠出生的第一周，由于睾酮的缺乏，导致成熟雌性小鼠垂体循环分泌促黄体素。可以雌性小鼠出生后 4d 通过注射睾酮使其在成熟后不循环分泌促黄体素；相反，也可以在雄性小鼠出生后 1d 内去除睾丸使其循环分泌
28、促黄体素。一般认为，性激素在哺乳动物的胚胎期或刚出生时作用于组织神经系统，而且在其成体中，同样的激素也有短暂的活性效应。这就是组织激活假说。有趣的是，决定雄性大脑方式的主要激素是雌二醇。在胚胎或刚出生的婴儿的血液中，睾酮能在 P450 芳烃酶的作用下转化为雌二醇，这种转化发生在下丘脑和边缘叶中，这两个区域是已知的调控生殖和激素行为的大脑区。因此，睾酮能通过转变成雌二醇发挥其作用。但是胚胎环境富含雌激素，是什么终止了雌性胚胎神经系统中雌激素的雄性化？胚胎雌激素(雄性和雌性)与相关蛋白结合，这种蛋白在胚胎肝脏中合成，成为胚胎血液和脑脊液的主要成分，它与雌激素结合而不与睾酮结合。试图将组织激活假说延
29、伸到“非自主”性行为是非常矛盾的。因为并不存在真正的性别专一的行为，能够区别许多哺乳动物的两种性别，而且在哺乳动物的发途径中用激素作用，将产生众多激素效应。如，将睾酮注射到一周大的雌性小鼠中，该小鼠将增加骨盆刺和减少脊柱的弯曲。这些变化可以描述为睾酮介导的中枢神经系统的变化，也可归功于其他组织的激素性效应。睾酮加强了使骨盆刺产生的肌肉的生长。即使睾酮使雌性个体生长得更大，关闭阴道口，也不能得出以下结论：脊柱弯曲的减少仅仅是由睾酮介导的神经循环系统的变化。从小鼠的实验结果推论人类的情况是非常危险的。因为在人类中还没有鉴定出任何一个性别专一的行为，在一种文明下认为是“雄性化”的行为可能在另一种文明
30、下被认为是“雌性化”行为。有充足的证据表明，控制生殖行为的神经组织，虽然在一个严格的胚胎发育时期极大地受到激素作用，但是不能对成人的性行为或个人的性倾向产生不可更改的影响。在一个人的一生中，宗教、社会或心理动机促使生物性相似的人在他们的性行为上分歧广泛。二、雄性同性恋特定的行为常常被认为是一个完整雄性或雌性表型的一部分。一个成熟男人的大脑会使他渴望与一个成熟女人交配，而一个成熟女人的大脑会使其渴望与一个成熟男人交配。尽管这种渴望在我们的生活中是非常重要的，但是它们也不能用原位杂交或单克隆抗体来检测。我们不知道，这种性渴望是由我们的教育慢慢灌输的，还是由于在子宫发育时的基因或激素作用我们的大脑，
31、或是由其他因素的作用而产生。1991 年提出同性恋男人的下丘脑的前面部分在解剖类型上与典型的女人的下丘脑的前面部分相似，而与正常男人的不同。下丘脑被认为是性渴求的源泉，而且小鼠在下丘脑的前面部分有一个性别二态区，可能调控性行为。下丘脑前面部分的裂缝核(INAH)分成 4 个区域，其中 3 个区域无性别二态性信号显示，而 INAH3 在雌雄个体间显示了重大的统计差异。雄性的 INAH3 平均比雌性的 INAH3 大两倍多。而同性恋男人的 INAH3 的大小与女人的类似，仅有正常男人的 INAH3 的一半大。这项发现表明，性倾向有生物学基础。对 LeVay 的数据解释有几个疑问。第一，这些数据来自
32、群体，而非个人。也许有人认为这样有一个统计的范围，而且男人和女人拥有相同的范围。实际上，从一个“同性恋男人”那儿获得的 INAH3 比除一个异性恋( 正常)男人以外其它 15 个异性恋男人的 INAH3 都大。第二， “异性恋男人”并不是必要的异性恋， “同性恋男人”也不是必要地同性恋。从尸体中所获得的大脑，他的性倾向并不知道。这就引起了另一个话题：同性恋者有许多种类型，而不是通常意义上的一般表型。第三， “同性恋男人”的大脑通常从死于 ADIS 的病人处获得。ADIS 感染的大脑，它是否作用于下丘脑的神经元尚不知道。第四，这项研究所用的死人的大脑，并不能推断原因和结果，这样的数据仅表明相关性
33、，而非因果关系。可能行为可以影响某一区域的神经元密度大小，正如区域的神经元密度大小影响行为一样。如果将这些数据解释为同性恋男人的 INAH3 比异性恋男人的 INAH3 的小，那仍不能确定是同性恋的结果不是原因。第五，即使存在这些差别，仍然也没有证据证明这些差别与性别有关。第六，这项研究并不意味着当这些差别出现时(如果确实存在) ，雄性、雌性和同性恋男人的 INAH3 的差别是出现在胚胎发育期、出生后不久、在他出生后几年、青春期或其他时期。1993 年找到 X 染色体上的特殊 DNA 序列与特殊的同性恋子群(有一个同性恋兄弟的同性恋者)的关系。在 40 对同性恋兄弟中，如果期中一个从他母亲那儿
34、继承了 X 染色体的一个特殊区域，那么有 33 个他的兄弟也继承了这个区域。这也仅仅是统计上的一致，而且，对照(即检测这标记是否存在“非同性恋者 ”家族的男性) 并没有报道，统计的偏差被认为有问题，特别是其他实验室并没能重复此实验。在相同实验室的一个最近的结果，Hu 和他的同事发现当同性恋男人与他非同性恋兄弟比较，该区域没有或仅有极少增加。因此他们的结论：这段区域对性倾向来说既不是必要也不是充分的。基因是编码 RNA 和蛋白质的，而非行为的。当基因可能偏向行为结果时，我们没有证据证明这些基因是如何“控制”行为的。 “多个性综合症”的人的存在，表明一个表型可支持一广范围的个性。既然很多人在同性恋
35、和异性恋行为间转换，肯定对“同性恋表型”定义出了问题。因此，同性恋渴求的形式是由核内的基因、胚胎发育期的性激素，不是出生后的经验所决定的这个问题仍然没有明确的答案。性别分化虽然是最基本的发育事件之一，但其分子机制却极其多样化，几乎所有已知类型的调控机理都被用上了。哺乳类决定于 Y 染色体；果蝇和线虫决定于 X 染色体的多少，龟和鳄决定于其卵的孵化温度，Bonellia 依赖于幼虫的生长环境。不同动物涉及的剂量补偿机制也不相同。哺乳类通过将 X 染色体随机失活一条平衡雌雄两性的 X 连锁基因产物的数量，果蝇是使雄性的 X 染色体的转录水平提高 1 倍，线虫则是使 XX 个体的 X 转录水平降低。
36、性别决定的多样性为研究胚胎发育过程中分子调节开关作用机制提供了一个丰富的信息源泉。关于性别决定的研究已在国际上全面展开，涉及哺乳类、有袋类、昆虫、线虫和蕨类等诸多物种，在性别决定因子、级联调控体系、生殖细胞的性别决定、剂量补偿和性染色体的进化等领域都取得了引人注目的进展。第二十一章 细胞核的全能性与可塑性100 多年前，德国病理学家 R.Virchow 的著名论断“细胞来自细胞 ”(omnis cellula e cellula)使人们认识到一个有机体的所有细胞都来源于一个受精卵细胞。细胞分裂及 DNA 的半保留复制方式的发现又使遗传物质一代一代精确的传递一目了然。染色体是遗传物质的载体，它们
37、集中在每个细胞的细胞核中，因此细胞核指导生物体的个体发育。既然受精卵能够发育成一个完整的有机体，具有发育的全能性，那么它产生的子代细胞、直至高度分化的体细胞是否在发育的潜能上同受精卵一样呢？这个现在看来似乎很容易回答的问题从提出到有最终定论经过了科学家的努力，从细胞学说的提出到体细胞克隆羊的诞生，前后共计 158 年的时间。细胞核具有发展全能性(totipotency)的结论至少要接受如下几个方面的证明：1，细胞核包含有指导该细胞发育成完整个体需要的全部遗传信息；2，细胞的分裂过程中，遗传物质能精确、完整地传递；3，细胞分化没有破坏基因组织结构的完整性；4，细胞分化没有导致细胞核甚至细胞的发育
38、潜能的不可逆性变化。低等动物很强的再生能力和在生产实践中已广泛应用近千年的植物无性繁殖技术使人们隐约得到答案。但是真正用实验方法直接证实却是 20 世纪创建的单细胞培养技术(植物) 和细胞核移植技术(动物)。1958 年，高等分化的植物体细胞具有全能性和可逆性得到了证明。1997 年，体细胞克隆羊“多莉”的诞生宣告了高等动物的体细胞核同样具有全能性。以下是与细胞核全能性的证明有关的重要事件：1839 年，Schwann 在总结前人工作的基础上，正式提出细胞学说；1855 年，Virchow 提出“细胞来自细胞 ”论断；1865 年，Mendel 首次报道了用豌豆进行的一系列实验结果，发现了遗传
39、因子的分离和重组规律。1870 年，Flemming 证实了细胞核在保持细胞连续性方面具有重要作用；1883 年，Roux 主张染色体是遗传单位的携带者；1884 年，Hertwing 和 Strasburger 认为细胞核含有控制遗传的相关因子；1885 年，Weismann 提出了种质学说；1888 年，Roux 开创了实验胚胎学的新领域，但是其最初在蛙胚实验结果的失败却支持了当时流行的“体细胞的分化是由于遗传物质丢失造成的”错误观点；1892 年，Driesch 证明海胆 2 细胞和 4 细胞胚胎的单个细胞能分别发育成完整的胚胎；1894 年，Loeb 进行早期的核移植实验，将单个细胞的
40、核移植到一个去核卵的细胞质中；1914 年，Spemann 在蝾螈和火蜥蜴中(1928 年) 进行了核移植实验；1938 年，Spemann 在“Embryonic Development and Induction”一书中公开了一个”奇异“的想法，提出如果将一个分化细胞的核导入去核卵代替卵细胞核后，所形成的组合细胞将如何发育。14 年后，这一奇特实验构想成为现实；1952 年，Briggs 和 King 开发出细胞核移植技术，并首先用美洲豹蛙的囊胚细胞进行核移植获得正常发育的蝌蚪。他们的实验结果震动了整个生物界；1953 年，Watson 和 Crick 报道了 DNA 的双螺旋结构模型；1
41、958 年，Fischberg，Elsdale，Gurdon 用爪蟾囊胚早期细胞作核供体进行核移植；1962 年，Gurdon 宣布将用高度分化的成体蛙的肠细胞作核供体进行核移植；1963 年，Haldane 在一次名为“Biological Possibilities for the Human Species of the Next Ten-Thousand Years”演讲中首次使用“Clone”一词；1977 年，Gurdon 以一只白化蝌蚪的肠上皮细胞作核供体，通过核移植获得 30 只白化成体蛙，引起世人瞩目；1981 年，Illmensec 和 Hoppe 宣布将具遗传标记的小鼠囊
42、胚内细胞团细胞核移植去核受精卵，得到了幼鼠，这是世界上第一例哺乳类克隆的报道；1995 年，Wilmut 和 Campbell 用已经分化的、体外培养的绵羊胚胎细胞，经核移植获得世界上第一例分化细胞克隆羊；1997 年，Wilmut 和他的同事采用成体母羊的乳腺细胞作核供体，获得世界上第一例类体克隆哺乳动物-真正意义上的体细胞克隆羊“多莉” 。第一节 细胞核是细胞全能性的基础细胞核的全能性是指一个细胞核具有该物种完整的遗传信息，在适当的条件下能够发育成一个完整个体的能力。植物体细胞和动物受精卵、早期胚胎细胞具有发育的全能性就在于每个细胞的细胞核中都含有相同的、完整的遗传信息，因此细胞核是细胞具
43、有发育全能性的基础。有关细胞核全能性的介绍还得从细胞学说的创立开始。一、细胞学说的创立细胞学说(cell theory)是 19 世纪德国的植物学家施莱登和生理学家施旺共同提出的。1838年，施莱登根据自己的实验观察，提出所有植物体都是由细胞组合而成的。一年后，施旺认为所有动物体也是由细胞所组成，在总结前人的工作的基础上，首次提出“细胞学说”这一名称。施旺虽然提出了细胞学说，但是对于细胞的来源问题却不清楚。后来德国的病理学家R.Virchow 明确提出“细胞来自于细胞”的著名论断，使细胞学说更加充实。这样细胞学说就包含了 3 个方面的内容，1、细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，
44、一个细胞就是一个单独的个体；2、多细胞生物的每一个细胞即是一个代谢活动单位，执行特定的功能；3、细胞只能由细胞分裂而来，即细胞来自细胞。细胞学说和后来原生质理论的提出，有力推动了生物学家对细胞内部结构的研究，使对细胞的研究出现了一个繁荣时期。相继发现了一系列的细胞结构和细胞活动现象，包括受精过程中卵子和精子原核的融合、有丝分裂和减数分裂，明确了细胞核在两代个体之间连续性的重要作用。细胞学说也促进和推动了各生物学科的发展和细胞学的联系。如细胞学说应用到分类学上，从而把动物分为原生动物(单细胞动物 )和后生动物(多细胞)；将细胞学说应用胚胎学上，确定了精子和卵都是细胞；将细胞学说应用到病理学上，认
45、为病理过程是在细胞和组织中进行的，由此发展了细胞病理学。但是将细胞学说应用到发育生物学上，在当时却无法解释细胞遗传和细胞分化在有机体的矛盾和统一。二、细胞分化是遗传物质丢失观点的提出Roux 做了开创性的工作。他用一根烧烫的针破坏蛙 2 细胞中的其中一个细胞，以观察胚胎的两个细胞的分化差异及胚胎的发情况。他发现被破坏的细胞不再继续发育，而存活的另一个细胞则只能进一步发育成胚胎的左半部分或右半部分(如图 21-1)。此实验证明了从 2细胞时期起，胚胎两分裂球未来发育命运就已经被确定，毁掉一个细胞，另一个只能形成半个胚胎。然而这个开创性的实验得出的结论却是错误的，原因可能是烧烫的针对胚胎的一部分造
46、成了不可逆的损伤，活的分裂球由于接触到死的卵裂球从而影响了进一步的发育。Driesch(1892)不久就心海胆做了类似的实验。激烈摇动海胆的 2 细胞胚胎和 4 细胞胚胎，可将单个分裂球(细胞)分离开来，结果每个细胞依然能够继续发育成完整的海胆幼虫。1885 年，Weismann 提出了种质学说，却仍然以 Roux 的错误的实验结果来支持他提出的细胞分化和发育源于遗传物质的丢失造成的，每一种组织只保留了其特有的遗传物质。染色体不发生丢失的细胞成为种质细胞(生殖细胞) ，发生丢失的细胞则成为体质细胞 (体细胞)。他把遗传物质称为决定子(determineant)，并描述了染色体自我复制决定子的假
47、说。但是他又认为，胚胎决定子的不同分布，导致了细胞分化。细胞类型与细胞功能的差异是由于分化细胞的细胞核中只保存了自身组织和细胞所特有的遗传物质，而其他遗传物质在分化过程中丢失了。因此细胞特化是一种不可逆的过程。导致 Weismann 这一观点能够在以后 50 多年间广泛流行的原因还有当时马蛔虫细胞在胚胎发育过程中发生的染色体消减现象。1910 年 Boveri 用马蛔虫卵做了一个经典的实验(如图21-2)。马蛔虫的合子核有 2 对染色体，第一次卵裂时为纬线分裂而不是一般的经线分裂，结果将受精卵的动物极和植物分隔成 2 个卵裂球(a 图) ，更为奇怪的是，在产生的两个子细胞中，染色体的命运也不相
48、同。第二次分裂时，动物极细胞(PS)为经线裂而植物极细胞仍为纬线裂(b 图)，来自动物极的细胞每一条染色体的中央部分分裂成许多小碎片，而留下两端大的部分。以后这些小碎片重新组成子核，进行分裂，两端两块大的则位于细胞膜附近的细胞质中，不进入核内，逐渐消失在细胞质中，因此许多基因也随之丧失(c 图) 。与动物极相反，植物极细胞可以正常进行核分裂成为 2 个细胞(b 图) 然而靠近动物极的细胞也发生染色体丢失(d 图)的 PS 部分，另一细胞却能正常分裂。如此反复分裂，最后保持正常染色体(S-Pg)的细胞将来成为生殖细胞，染色体部分丢失的细胞分化成体细胞。这种在卵裂过程除原始生殖细胞保留完整的两条染
49、色体，其他细胞染色体均发生大段丢失的现象称为染色体消减(chromosome diminution)。Boveri 推测这种现象是由于卵内细胞质成分不平衡造成的，在卵子植物极可能含有某种特殊的细胞质能阻止染色体消减，并且用实验证实了上述推论的正确性。马蛔虫染色体消减现象虽然是一个特例，但在当时却作为实际例证被学术界普遍接受。三、分化细胞的遗传物质没有发生变化1901-1903 年，Spemann 用婴儿细发结扎蝾螈受精卵，将第一次卵裂形成的 2 个分裂球分离，分别进行培养，结果发现每个分裂球都能发育成一个正常而较小的胚胎。他分析 Roux 得出错误结论的原因，可能是因为被热针烫死的细胞对正常细胞的发育具有抑制作用，是一种不幸的人为现象。1933 年，Schmidt 重复了 Roux 的实验，但他把烫死的一个分裂球去掉，使存活的分裂球不受影响，结果这个存活的细胞能继续发育成完整的胚胎。至此，在 Roux之后的一系列实验结果都表明，早期胚胎的分裂球是全能的。但是这包括某些无脊椎动物，如线虫，它们的发育是一种规则的发育：即使分离受精卵最初分裂所产生的 2 个细胞，每个细胞也有自己不同的命运。后来的研究解释了线虫早期卵裂球有不同命运的原因：由于线虫细胞以一种不对称的分裂方式进行分裂，虽然有丝分裂产生的子代细胞继承了母细胞的遗传信息，但是细胞质成分是不
