动物的性别决定机制

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动物的性别决定机制　　性别在动物界中是从很低等生物开始就已经具有的一个特性，并且这种特性随着动物分类地位的提高而更加显著。在高等动物中雌性和雄性的许多性状都存在着明显差异，例如鸟类雌雄个体间不仅生殖系统间有差异，形体、羽色、鸡冠形状甚至鸣声也都不同。　　动物的个体发育除了极低等的几种以外，多是从受精卵开始的，而性别决定与分化基本上是在胚胎时期就已完成，对于不同动物而言，其性别决定的影响因子也各不相同。总的说来，与性别决定有关的因子有两大类，一类是环境因子，一类是遗传因子。　　性染色体就是与性别分化直接相关的染色体。根据研究，性染色体的出现最早是在鱼类等较为低等的动物当中，在两栖、爬行、鸟类、哺乳动物中一般都有可以从形态上鉴别出的性染色体。　　1930年Fisher等人提出假说，认为哺乳动物Y染色体上至少存在一个与性别决定有关的基因，并假设这个基因要么与Y染色体连锁，要么对位于其它染色体上的性别决定基因起着调控作用。1940年Ajost等人通过阉割胎兔实验认识到性别决定实际上等同于睾丸的决定，直到1 959年人们才真正认识到哺乳动物睾丸的分化取决于Y染色体，并推测Y染色体上有一个基因编码睾丸决定因子TDF，决定哺乳动物胚胎的性嵴发育为睾丸。　　人的Y染色体可以分为两个不同的功能区，一个是拟常染色体区，位于Y染色体短臂末端，可以与X染色体上同源区段进行配对和交换。第二个功能区在减数分裂时不与X染色体进行配对、交换，而一旦这一区域与X染色体发生了不正常的交换，性别决定的染色体基础就可能破坏。　　60年代初期，一些学者根据Y染色体在显微镜下可见的缺失或易位及由此而发生性别异常的病例之间的关系初步将TDF定位于Y染色体着丝粒附近，并绘制了Y染色体的缺失定位图，将Y染色体划分为7个区段，但由于Y染色体非常小，不便于从形态学水平进行进一步的研究。后来人们主要将TDF的定位和克隆研究工作集中在Y染色体短臂，Page等人认为TDF应位于Y染色体的短臂第一区段，接近拟常染色体区。在此基础上，他们将第一区段进一步再细分为1A1、1A2、1B、1C四个亚区。经过31年的不懈努力，1990年Sinclair等人终于找到了人的性别决定基因的最佳候选基因-SRY基因，位于1A1亚区，距拟常染色体约60kb内的PY533附近。这个基因长850bp，其转录区长612bp，可编码79个氨基酸序列的锌指蛋白，能够结合在特定DNA片段上，其中对人而言是结合在牟勒式管抑制基因MIS的启动子区域，从而抑制牟勒式管发育成 雌性生殖器，起着抑制雌性发育途径、启动雄性发育途径的调控性别分化的作用。　　1990年Koopman等人将一段含有小鼠Sry基因的14kb大小的基因片段通过转基因手段导入XX雌性胎鼠中，结果导致部分小鼠发生性反转，睾丸也开始发育，有力地证明了SRY/Sry基因就是TDF的说法。　　自从发现人的SRY基因以来，人们在许多哺乳动物中陆续找到了SRY基因的同源基因，如虎、兔、狗、猪、大熊猫、獾、狼、梅花鹿、圆头鲸、骆驼、赤麂、欧洲癚牛、家牛、羊、灵长类和啮齿类的一些动物中都找到了雄性特异的Sry基因。　　在人类中存在一些性别发育不正常的患者，如XX男性和XY女性，许多对于这些病例的研究表明这些病人的性别异常都与SRY基因的突变、易位或缺失有关，比如如果染色体型为XY但Y染色体上的SRY基因发生突变或者丢失，患者就会发育为女性，而XX个体如果其X染色体或常染色体上易位有SRY基因，则可能会发育成男性。　　近年来人们发现有的SRY基因开放阅读框内的突变并不引起性反转，有些患者由于SRY基因的保守区发生突变所致，但患者们的父亲虽然具有相同的突变却没有出现性反转。这就意味着可能还有另外一些遗传因子介入了性别的决定与分化。人们还报道了一个家族性XX性 反转男性中并不存在SRY基因，但也有可能发育成男性，又如已报道的15例带有两性或女性外生殖器的患者发现有X短臂部分的重复，但其SRY基因却完整无损。这些都说明参与性别决定与分化的并不仅是一个SRY基因，而是由多个基因共同参与的。经过研究，人们又找到了一些与性别决定有关的基因，如SOX9、WT1、SF1、DAX基因等，并提出了Z-基因模型、DSS-基因模型等几种假说来阐释哺乳动物性别决定的机制。SF-1在性腺发育和性别决定中具有一定的作用，人们在AMH基因上发现了SF-1的结合位点，并对AMH的激活是必需的。用基因敲除技术除去小鼠体内的SF-1，小鼠长大后将不具有肾上腺和性腺。Wilm‘s肿瘤抑制因子WT1位于17号染色体，是一种转录抑制因子，可抑制Wilm’s肿瘤的发生，其突变将导致Denys-Drash综合征，患者患有Wilm‘s肿瘤，肾脏和肾上腺发育异常。WT1对于性别的调控可能是间接的，因为到目前为止尚未发现其对性腺发育起直接的作用.SOX9基因是性腺发育早期的一个重要基因，位于人的17号染色体，与人的睾丸决定有关，Goodfellow等人于1994年克隆了这一基因，它和SRY/Sry基因的保守框同源性高达60%以上，其突变将导致Campomelicdyspsia症，特征是骨骼发育缺损，大约有30%的患者同时还是46XY雌性，他们的SOX9基因有的发生了突变，有的上游发生了易位。SOX9基因在早期胚胎发育中的 表达与间质细胞从中肾管移出形成精巢有关，同时间质细胞还将分化为骨和软骨组织。　　鹿科动物中麂亚科的一些动物如赤麂、黑麂、贡山麂、菲氏麂等动物雄性中有两条形态、结构差别很大的Y染色体。细胞学水平的研究认为赤麂的Y2染色体才是真正的Y染色体，Y1染色体与X染色体长臂实际上是一对常染色体，X染色体短臂才是真正的X染色体，但这一观点尚需通过分子生物学研究进一步证实。啮齿类中南美仓鼠有两种不同的Y染色体，一种能诱导睾丸分化，另一种却不能。Akodon既有XY雌鼠也有XY雄鼠，并且在Akodon的Y染色体上存在着2～6个拷贝的Sry基因，测序结果证实两种Y染色体上的Sry基因的开放阅读框的序列是完全一样的。在实验室中让不同染色体型的仓鼠进行交配，发现XY雌鼠只能由XY雄鼠和XY雌鼠交配才能得到，而不能由XY雄鼠和XX雌鼠得到。由此推测这两种Y染色体上的Sry基因尽管开放阅读框序列相同，但启动子等调控区域却可能存在差异而使得两种Y染色体在性别调控中起着不同的作用。另外在一些鼹鼠中则没有发现Sry基因，这些较为特殊的动物的性染色体在性别决定和分化中如何发挥各自作用尚有待于进一步的研究。　　农村里偶尔会发现性反转的公鸡，本来是一只能下蛋的正常母鸡，后来却停止下蛋，长出了 同公鸡一样冠和羽毛，并能发出啼叫声，甚至还能与正常母鸡交配。这种性反转现象主要是由于雄性激素的作用。当母鸡的卵巢因为病变而发生萎缩时，原先处于未发育状态的另一个性腺就会因为解除抑制而发育成睾丸，这样母鸡就会出现公鸡的性征。因为这种性反转是由于激素的作用产生的，所以发生性反转的母鸡的染色体并未改变，仍为ZW.　　牛一般是怀单胎的，但有时也会怀双胎，如果双胎性别不同，则产下的雌牛很象雄牛。这是因为雄牛胚胎的睾丸发育较早，先分泌雄性激素，通过血液循环流入雌牛胎儿，抑制了雌性胎牛的正常的性腺分化。这种雌牛出生后虽然外生殖器象雌牛，但性腺象睾丸，没有生殖能力。　　虫益是一种海洋动物，其受精卵在海水中漂游，如果落在海底则发育为雌虫益，落在雌虫益上则发育成雄虫益并寄生其中。因此虫益的性别分化很大程度上是受环境因素的影响。　　蜜蜂分为蜂王、工蜂和雄蜂三种，蜂王和工蜂是由受精卵发育来的，都有32条染色体，雄蜂是由未受精卵发育来的，染色体数为16.受精卵可以发育为正常的雌蜂，也可以发育成不良的雌蜂，这取决于营养条件对它们的影响。　　大部分哺乳动物的性别决定类型为XX/XY型，而在两栖、爬行、鸟类和鳞翅目的昆虫为ZZ/ZW 型。　　对于较低等的动物来说，其雌性和雄性的染色体组成相同，不存在什么明显差异。从脊椎动物开始，有的动物不同性别的个体间的染色体数目、组成开始有了差异，有的甚至出现了染色体数目的多态现象。但对大多数低等脊椎动物来说，对性别分化起重要作用的仍然是环境因素。比如对大多数鱼类而言，水温、盐度等条件就决定了它们的性别分化，有些种类如黄鳝甚至还会发生性反转，在黄鳝群体中如果缺少雄性个体，有的雌性黄鳝就会变成雄性。在鱼类中也出现了少数由基因控制性别决定的种类，如尼罗河罗非鱼、大鳞副泥鳅等。在这些由基因控制性别的种类中，又可分为XX/XY决定型、ZZ/ZW决定型等，大鳞副泥鳅就是ZZ/ZW决定型。　　两栖、爬行动物的性别决定方式非常有趣，它们的性别分化多受温度的影响。某些蛙类虽然分为XX和XY型，如果让它们的蝌蚪在20℃下发育，雌雄比例大约为1∶1，如果让蝌蚪在30℃下发育，则无论性染色体如何都发育成雄蛙。研究表明在两栖、爬行甚至某些鱼类中也存在SRY基因的同源基因，称为Sox基因，但由于这些动物进化地位较低，所以其Sox基因可能在进化上还未发育成熟，与性别决定没有直接的关系。