1、果蝇的染色体性别决定摘要：对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的领域之一。对两性生物而言，性别决定与分化是个体正常发育和生存不可缺少的一环，也是种族得以繁衍延续的物质基础。自古以来，人们关于性别的决定有着各种猜想。随着科学技术的发展，人们对雌性和雄性个体的形态、生理和行为的许多特征及基因产物进行研究，本质上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。本文将对果蝇的性别决定及环境因子与性别决定的关系对性别决定机制进行阐述。（一） 、果蝇体细胞
2、性别决定在本世纪初，经过一系列遗传学实验结果证明了“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。这三个过程都有各自的调控体系。研究人员研究性别分化所必须的基因及在发育过程中的位置，突
3、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（Belote et al., 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。（二） 、Sxl 基因果蝇性别决定
4、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 sex lethal（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。1X:A 信号的分子、分母因素X:A 是细胞自主的信号，为严格合子型，依
5、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 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
6、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（Duffy and Gergen,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
7、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。另一个母本效应基因是 extra macrochaetae（ 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
8、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。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 extra mac
9、rochaetae 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。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。2Sxl 功能的维持Sxl 的早期启动子 PE 仅在胚胎发育极早期的瞬间转录过程中起作用，此阶段的调控发生在转录水平，Sxl 基因早
10、期的转录和表达模式均为雌性专。Sxl 转录发生后不久，晚期启动子 PL 就被激活，Sxl 就进入 RNA 剪接水平的调控。PL 位于 PE 上游 5kb 处，在两种性别中均被激活，并贯穿于随后的发育过程，呈组成型转录模式。但对来自 Sxl mRNA 的cDNA 的分析表明，因差异性 RNA 剪接，雌雄两性的 Sxl mRNA 并不相同，而且在雌性中，SXL 蛋白可与自身的 mRNA 前体结合，并将其按雌性方式剪接成成熟 mRNA，编码一个含 354 个氨基酸的蛋白，该蛋白与雌性特异的 Sxl 早期转录物的产物相同或相近，而在雄性中，由于缺乏最初的 SXL 蛋白，新的 Sxl 初级转录物按雄性方
11、式进行剪接，雄性特异的转录物在 48 氨基酸后有一终止密码子（UGA） ，有差异的 RNA 剪接使该终止子包含入雄性特异 mRNA 中，从而产生一无功能的雄性 Sxl RNA。在雄性中，通过剪接产生 3 个外显子，其中终止密码子位于中间外显子中，而在雌性中，RNA 剪接只产生 2 个外显子，而雄性特异的中间外显子作为一个大的内含子被剪接掉。所以 SXL 蛋白的表达模式始终是雌性专一的，只在雌性中，PL 的转录物才被剪接成有功能的 SXL 蛋白的 mRNA，由一个包括 SXL 蛋白（早期或晚期）的正反馈作用在内的自动调节机制所控制。通过核苷酸顺序可预测雌性特异 SXL 蛋白的结构，该蛋白包含两个
12、含 90 个氨基酸的RNA 识别域，这是 RNA 结合蛋白的特点之一。体外研究也显示 Sxl 编码的 RNA 结合蛋白和两个靶目标结合：一是与 Sxl mRNA 前体直接作用，阻止利用雄性特异外显子的剪接位点，导至雌性发育途径；而另一个为转化子基因 tra。Sxl 基因产物除了自我调控外，一个更重要的作用是调节下游的性别分化基因。在体细胞中，这些基因依次是transformer（tra） 、transformer-2 （tra-2） 、doublesex（dsx）和 intersex（ix） 。此外还有几个基因是雌性中 Sxl 正常表达的维持所需的，如 female-lethal-2d f1(
13、2)d基因，它是一个母性效应基因，一旦发生突变，会影响 Sxl 晚期转录物的雌性化剪接。其它的还有 liz 和 virilizer（vir）基因，雌性中，这些基因中的任何一个突变都将使 Sxl 因不能维持其高水平表达而无法扮演它在雌性发育中的多重角色。3性别决定调控途径中的靶基因位于 dsx 下游的是体细胞性别分化的末端基因，它们在两性中的差异表达导致了成虫果蝇性别二态性的确立。dsx 对这些靶结构基因的调控被认为与转录调控有关，果蝇中很多蛋白仅在一种性别中存在，如雌性中的卵黄蛋白和卵壳蛋白。 Coschigano 和 Wensink 等的研究表明，dsx 的雌雄两种转录物在卵黄蛋白基因 12
14、7bp 的增强子内有三个结合位点，雄性特异产物与这些位点结合，从而阻止卵黄蛋白的转录，而雌性特异蛋白通过与这些位点结合而激活转录。除了阻碍雌性特异基因产物和器官的产生，雄性 DSX 蛋白还可能促进雄性性巢的分化。性别决定基因的温度敏感型突变株有助于研究者了解特定耙基因对性别决定开关敏感的确切时间。当注入 tra2 基因的温度敏感等位基因（ temperature-sensitive, ts）时，果蝇性别发育途径从幼虫晚期到成虫期都处于有活性状态。Tra2 ts 基因为温度敏感等位基因，在许可温度（低温）下表达雌性表型，而在非许可温度（高温）下表达雄性表型。在幼虫晚期和化蛹期，将温度从许可温度提
15、升至非许可温度时，XX 幼虫和蛹发育成雄性。当成虫突变体在低温饲养，成虫的脂肪体将生成卵黄蛋白，并进入卵子。而当此成虫突变体在高温下饲养，卵黄蛋白基因的表达将停止。另一个非常引人注意的发现是，当 XX Tra2ts 成体果蝇在非许可温度下保持几天，它们将表现出雄性的求爱行为。三、调控配子发生的相关基因果蝇的配子发生是一个复杂而又精妙的多元调控体系，既受来自体细胞的多重诱导信号的影响，又被其自身的 X:A 信号所调控。有两个平行系统可决定配子的发生：诱导信号让 XX 生殖细胞进入卵发生或精子发生，而自主信号使 XY 生殖细胞雄性化（Steinmann-Zwicky, 1994） 。1体细胞信号对
16、配子发生的诱导作用研究表明，体细胞诱导信号对生殖细胞的性别决定有重要影响。通过对 tra、dsx 等基因的各种突变型个体的生殖腺和生殖细胞的研究，可确定诱导信号的作用。在一龄幼虫期，XX 雌性生殖细胞的性别正常分化需要 tra 和 dsx 控制的体细胞诱导信号的作用。体细胞的tra 能够指导 XX 生殖细胞进入卵发生，体细胞的 DSXF 也是 XX 生殖细胞雌性化所需要的。XY 生殖细胞对诱导信号也有反应。诱导信号虽然不能决定其进入雄性途径，但确立和维持精子的发生需要一个雄性化诱导信号的存在。在生殖细胞中，Sxl 也被性别专一地剪接，仅有雌性剪接物具有功能。体细胞来源的tra、tra-2 或
17、dsx 可影响生殖细胞中 Sxl 的选择性剪接。2调控配子发生的等级途径生殖细胞的 Sxl 在从极细胞迁移到三龄幼虫早期这段时间内被激活，其活性的维持需要 snf、 fi(2)d、vir 和两个卵巢肿瘤基因 ovo 和 otu 的参与。 Snf 突变体的卵巢内充满象雄性的多细胞囊胚，Sxl mRNA 前体以雄性方式剪接。抗 SXL 抗体的检测显示极少或没有 SXL蛋白存在。Ovo 或 out 纯合强突变的雌性成蝇没有生殖细胞，弱突变则引起卵巢肿瘤，卵巢中充满类似于早期精原细胞的未分化生殖细胞。同样，ovo 或 out 突变的雌性卵巢内为雄性 Sxl 剪接产物，很少或没有 SXL 蛋白。体细胞的
18、诱导信号和 X:A 的自主信号一起决定了生殖细胞的性别分化。（四） 、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两条 X 染色体之一的随机失活来完成这一平衡过程，但是果蝇体细胞的两条 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实现，也可以通过提高雄性 X-连锁基因活性的正调控实现，那么究竟是哪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，即被合称为
19、 msls 的四个基因:maleless （mle） 、male-specific lethal 1（msl-1） 、male-specific lethal 2（msl-2 ） 、maleless on the third-132 mle(3)132。其中mle、msl-1 和 mls-2 均位于 2 号染色体上，mle(3)132 在 3 号染色体上。参与体细胞性别分化的其它基因 tra、tra2、dsx 和 ix 对剂量补偿都没有影响。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。但对雄性来说，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一个提高雄性 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 处于非活性状态，X-连锁基因以基础水平转录；而在雄性中，因缺乏有功能的 SXL 蛋白，msls 基因被激活，使 X 染色体高水平转录。参考文献：1 戴灼华，王亚馥，粟翼玟. 遗传学（第 2 版）.高等教育出版社， 2008.2 李振刚. 分子遗传学（第 2 版）. 科学出版社，2004.3 李学宝，董妍玲. 遗传学教程（第 1 版） .科学出版社， 2011.
