D0:10.162885yczz.2007.02.005 道传HEREDITAS(Beijing)2007年2月，29(2)：145-149 ISSN 0253-9772 www.chinagene.cn 综述 D0L:10.1360yc-007-0145 早期胚胎的发育选择：性别决定 程汉华，周荣家 武汉大学生命科学学院遗传学系与发育生物学中心，武汉430072 摘要：性别决定是一个复杂的发有调控过程，早期胚胎发有过程中，雌雄二者必居其一的发有选择是胚胎性 腺形成必须的发有决定。文章综述了动物性别决定的遗传系统、性腺发生、性别决定关键基因及其作用机制，从 分子进化的角度分析了性染色体与性别决定形成机制，提示性别决定基因在进化中总是趋向异配性染色体。 关键词：性别决定：性染色体：胚胎发生 Alternative development of early embryogenesis:sex determination CHENG Han-Hua,ZHOU Rong-Jia Department of Genetics and Center for Developmental Biology,College of Life Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072, China Abstract:Sex determination is a complex regulatory process of early embryogenesis.Embryo must make a developmental decision to develop as a male or female during gonadogenesis.This paper reviews genetic systems of sex determination, gonadogenesis,key genes involved in sex determination of vertebrates.Molecular evolution processes of sex chromosomes and sex determination provide a clue to tendency of sex-determining genes to appear on heterotypic sex chromosome. Keywords:sex determination;sex chromosomes;embryogenesis 人类和动物性别决定与分化发育机制的研究， 甚至高达20%。己经成为危害人类健康的重大疾病，引 一直是近100年来生命科学中的一个重要研究领 起了国内外学术界、政府机构和社会的高度重视。性决 域。该领域的研究对生命活动规律等理论问题的认识 定、分化发育与活动是从胚胎早期就开始，直至性成熟， 具有借鉴和指导意义，有助于认识从低等脊椎动物到 乃至繁衍后代，伴随整个个体的生命过程。随着国际医 人类性别决定机制的进化规律，最重要的是它不仅有 学水平的提高，对该系统疾病也有了充分的了解，然而， 利于对经济动物性别的人为控制研究，而且对人类性 对不育与性分化障碍发病机制至今仍然没有得到完全 别分化发育异常等多种疾病的病因分析，寻找可行性 认识。对该类疾病的防治仍然缺乏有效的技术手段。 治疗方案和防治提供理论基础。 动物性别控制在生产实践上有着光明的应用前 人类不育与性分化障碍正在成为全球危害人类健 景，因此，近十几年来，与性别控制技术相关的水 康和生活的重大医学问题。全球包括中国在内该类疾 产生物技术研究也一直是水产动物遗传育种的热门 病的发病率高达10%15%，一些国家如丹麦，发病率 领域。 收稿日期：2006-07-10：修回日期：2006-09-08 基金项目：国家自然科学基金、国家重点基础研究项目以及教有部新世纪优秀人才支持计划资助[Supported by the National Natural Science Foundation of China,the National Key Basic Research project,the Program for New Century Excellent Talents in University and the Key Project of Chinese Ministry of Education] 作者简介：程汉华(1963一)，女，湖北人，博士，教授，博士生导师，研究方向；分子细胞生物学。E-mail:hhcheng@whu.edu.cn 周荣家(196l一，男，四川人，博士，教授，博士生导师，研究方向；发有遗传学。E-mail:rjzhou@whu.edu.cn ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
HEREDITAS (Beijing) 2007 年 2 月, 29(2): 145―149 ISSN 0253-9772 www.chinagene.cn 综 述 收稿日期: 2006-07-10; 修回日期: 2006-09-08 基金项目: 国家自然科学基金、国家重点基础研究项目以及教育部新世纪优秀人才支持计划资助[Supported by the National Natural Science Foundation of China, the National Key Basic Research project, the Program for New Century Excellent Talents in University and the Key Project of Chinese Ministry of Education] 作者简介: 程汉华(1963—), 女, 湖北人, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向; 分子细胞生物学。E-mail: hhcheng@whu.edu.cn 周荣家(1961—), 男, 四川人, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向; 发育遗传学。E-mail: rjzhou@whu.edu.cn DOI: 10.1360/yc-007-0145 早期胚胎的发育选择: 性别决定 程汉华, 周荣家 武汉大学生命科学学院 遗传学系与发育生物学中心, 武汉 430072 摘要: 性别决定是一个复杂的发育调控过程, 早期胚胎发育过程中, 雌雄二者必居其一的发育选择是胚胎性 腺形成必须的发育决定。文章综述了动物性别决定的遗传系统、性腺发生、性别决定关键基因及其作用机制, 从 分子进化的角度分析了性染色体与性别决定形成机制, 提示性别决定基因在进化中总是趋向异配性染色体。 关键词: 性别决定; 性染色体; 胚胎发生 Alternative development of early embryogenesis: sex determination CHENG Han-Hua, ZHOU Rong-Jia Department of Genetics and Center for Developmental Biology, College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China Abstract: Sex determination is a complex regulatory process of early embryogenesis. Embryo must make a developmental decision to develop as a male or female during gonadogenesis. This paper reviews genetic systems of sex determination, gonadogenesis, key genes involved in sex determination of vertebrates. Molecular evolution processes of sex chromosomes and sex determination provide a clue to tendency of sex-determining genes to appear on heterotypic sex chromosome. Keywords: sex determination; sex chromosomes; embryogenesis 人类和动物性别决定与分化发育机制的研究, 一直是近 100 年来生命科学中的一个重要研究领 域。该领域的研究对生命活动规律等理论问题的认识 具有借鉴和指导意义, 有助于认识从低等脊椎动物到 人类性别决定机制的进化规律; 最重要的是它不仅有 利于对经济动物性别的人为控制研究, 而且对人类性 别分化发育异常等多种疾病的病因分析, 寻找可行性 治疗方案和防治提供理论基础。 人类不育与性分化障碍正在成为全球危害人类健 康和生活的重大医学问题。 全球包括中国在内该类疾 病的发病率高达 10%～15%, 一些国家如丹麦, 发病率 甚至高达 20%。已经成为危害人类健康的重大疾病, 引 起了国内外学术界、政府机构和社会的高度重视。性决 定、分化发育与活动是从胚胎早期就开始, 直至性成熟, 乃至繁衍后代, 伴随整个个体的生命过程。随着国际医 学水平的提高, 对该系统疾病也有了充分的了解, 然而, 对不育与性分化障碍发病机制至今仍然没有得到完全 认识。对该类疾病的防治仍然缺乏有效的技术手段。 动物性别控制在生产实践上有着光明的应用前 景, 因此, 近十几年来, 与性别控制技术相关的水 产生物技术研究也一直是水产动物遗传育种的热门 领域。 DOI:10.16288/j.yczz.2007.02.005
146 送传HEREDITAS(Beijing)2O07 第29卷 1 性别决定的遗传系统 然后再逆转为雌性。性逆转特性的物种一般没有异型 性染色体。尽管性逆转的机制至今仍然不清楚，但 性别决定体系根据发育机制大体上可以划分为 一般认为是由遗传因素所控制的（表1）四。 以下5种类型。第1种性别决定类型为XY型，大 多数哺乳类，如人类和小鼠为此类型，雄性为异配 2性腺的发生 即XY性染色体组成，雌性为同配XX型。在哺乳动 物性别决定中，Y染色体起中心的决定作用。位于其 在人类胚胎发育3.25~4周时，小鼠胚胎发育 上的SRY基因(Sex-determining region Y)是其关键基 至9.0~9.5dpc时，原始生殖系统开始发育。泌尿生 因；然而，X染色体和常染色体也起着重要作用。第 殖系统从前到后由3个部分组成：前肾(pronephros)、 2种性别决定类型为ZW型，鸟类为这种ZW型性别 中肾(mesonephros)和后肾(metanephros)组成。小鼠 决定体系，雌性为ZW异配型性染色体，而雄性为 生殖嵴在10.5dpc时，开始在中肾的表面增厚。生 ZZ同配型性染色体组成。同时也可能存在性染色体 殖嵴由来自于中肾的体细胞和外围迁移入的原始生 比例和剂量效应。第3种性别决定类型为性染色体 殖细胞组成，性腺和生殖器官就发生于此结构。沃 与常染色体数量比值，例如，果蝇虽然也存在X 尔夫氏管(Wolffian duct)由边侧中胚叶发育而来。在 和Y染色体，但是其Y染色体与性别决定没多大关 11.5~12.5dpc时，中肾上皮细胞内陷形成苗勒氏管 系，只是在Y染色体上存在精子发生基因。果蝇的 (Mullerian duct),平行于沃尔夫氏管存在于泌尿系 性别是由X染色体(X)与常染色体(A)的数量比值 统中。 (X:A)来决定。第4种性别决定类型为环境性别决定 在雄性胚胎，Sy在ll.5dpc时表达达到最高， 型，例如在两栖类和爬行类等物种中，胚胎发生时 其表达部位是在未分化性腺中的支持细胞前体。在 期的温度变化决定胚胎向雌性或雄性方向发育。第 12.5dpc时，Sry将诱导支持细胞前体分化出 五种性别决定类型为性别逆转，在某些鱼类，性别逆 Sertoli(或前Sertoli)细胞，这是在雄性生殖嵴中出现 转是正常的性别表现形式，某些物种是先雌性发育， 的第一种具分化的细胞类型。雄鼠的Sertoli细胞分 经过一个间性的逆转过程后发育为雄性，黄鳝为这 泌苗勒氏抑制物(MIS),使苗勒氏管退化。莱迪氏细 一类型的代表物种。也存在一些物种是先发育为雄性 胞(Leydig cells)分泌睾丸激素(Testosterone),使沃尔 表1动物性别决定系统 Table 1 Sex determination systems 物种Species 系统Systems 性别Sexes Most eutherian mammals GSD:Dominant Y XY male XX female Mole voles (Ellobius): E.fuscocapillus GSD:Dominant Y XY male XX female E.lutescens Unknown XO male XO female E.tancrei Unknown XX male XX female Wood lemming GSD:Dominant Y:Dominant X* XY male (Myopus schisticolor） XX,X*X,or X+Y female Marsupial mammals GSD:Dominant Y (testis) XY male XX female X dosage(2X:pouch;IX:scrotum) Birds GSD:Ratio? ZZ male ZW female Turtles(Trachemys scripta) ESD:temperature Cool:male Warm:female Alligators ESD:temperature Warm:male Cool:female Fish Trout(Oncorhynchus mykiss) GSD:Dominant Y XY male XX female Jewel lyretail anthias ESD:social;protogyny Sequential hermaphrodite: (Pseudanthias Sqamipinnis) female,then male Dusky anemonefish ESD:social;protandry Sequential hermaphrodite: (Amphiprion malanopus) male,then female Rice field eel (Swap eel) Sex reversal Sequential hermaphrodite: (Monopterus albus) female,then male Drosophila X:A balance X:A=0.5 male X:A=1 female C.elegans X:A balance X:A=0.5 male,X:A=1 hermaphrodites GSD:遗传性别决定；ESD:环境性别决定。 ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
146 HEREDITAS (Beijing) 2007 第 29 卷 1 性别决定的遗传系统 性别决定体系根据发育机制大体上可以划分为 以下 5 种类型。 第 1 种性别决定类型为 XY 型, 大 多数哺乳类, 如人类和小鼠为此类型, 雄性为异配 即 XY 性染色体组成, 雌性为同配 XX 型。在哺乳动 物性别决定中, Y 染色体起中心的决定作用。位于其 上的 SRY 基因(Sex-determining region Y)是其关键基 因; 然而, X 染色体和常染色体也起着重要作用。第 2 种性别决定类型为 ZW 型, 鸟类为这种 ZW 型性别 决定体系, 雌性为 ZW 异配型性染色体, 而雄性为 ZZ 同配型性染色体组成。同时也可能存在性染色体 比例和剂量效应。第 3 种性别决定类型为性染色体 与常染色体数量比值, 例如, 果蝇虽然也存在 X 和 Y 染色体, 但是其 Y 染色体与性别决定没多大关 系, 只是在 Y 染色体上存在精子发生基因。果蝇的 性别是由 X 染色体(X)与常染色体(A)的数量比值 (X:A)来决定。第 4 种性别决定类型为环境性别决定 型, 例如在两栖类和爬行类等物种中, 胚胎发生时 期的温度变化决定胚胎向雌性或雄性方向发育。第 五种性别决定类型为性别逆转, 在某些鱼类, 性别逆 转是正常的性别表现形式, 某些物种是先雌性发育, 经过一个间性的逆转过程后发育为雄性, 黄鳝为这 一类型的代表物种。也存在一些物种是先发育为雄性, 然后再逆转为雌性。性逆转特性的物种一般没有异型 性染色体。尽管性逆转的机制至今仍然不清楚, 但 一般认为是由遗传因素所控制的(表 1)[1]。 2 性腺的发生 在人类胚胎发育 3.25～4 周时, 小鼠胚胎发育 至 9.0～9.5 dpc 时, 原始生殖系统开始发育。泌尿生 殖系统从前到后由 3 个部分组成：前肾(pronephros)、 中肾(mesonephros)和后肾(metanephros)组成。小鼠 生殖嵴在 10.5 dpc 时, 开始在中肾的表面增厚。生 殖嵴由来自于中肾的体细胞和外围迁移入的原始生 殖细胞组成, 性腺和生殖器官就发生于此结构。沃 尔夫氏管(WoIffian duct)由边侧中胚叶发育而来。在 11.5～12.5 dpc 时, 中肾上皮细胞内陷形成苗勒氏管 (Mullerian duct), 平行于沃尔夫氏管存在于泌尿系 统中[2]。 在雄性胚胎, Sry 在 11.5 dpc 时表达达到最高, 其表达部位是在未分化性腺中的支持细胞前体。在 12.5 dpc 时 , Sry 将诱导支持细胞前体分化出 Sertoli(或前 Sertoli)细胞, 这是在雄性生殖嵴中出现 的第一种具分化的细胞类型。雄鼠的 Sertoli 细胞分 泌苗勒氏抑制物(MIS), 使苗勒氏管退化。莱迪氏细 胞(Leydig cells)分泌睾丸激素(Testosterone), 使沃尔 表 1 动物性别决定系统 Table 1 Sex determination systems 物种 Species 系统 Systems 性别 Sexes Most eutherian mammals GSD: Dominant Y XY male XX female Mole voles (Ellobius): E. fuscocapillus E. lutescens E. tancrei GSD: Dominant Y Unknown Unknown XY male XX female XO male XO female XX male XX female Wood lemming (Myopus schisticolor) GSD: Dominant Y; Dominant X* XY male XX, X*X, or X*Y female Marsupial mammals GSD: Dominant Y (testis) X dosage (2X: pouch; 1X: scrotum) XY male XX female Birds GSD: Ratio? ZZ male ZW female Turtles (Trachemys scripta) ESD: temperature Cool: male Warm: female Alligators ESD: temperature Warm: male Cool: female Fish Trout(Oncorhynchus mykiss) Jewel lyretail anthias (Pseudanthias Sqamipinnis) Dusky anemonefish (Amphiprion malanopus) Rice field eel (Swap eel) (Monopterus albus) GSD: Dominant Y ESD: social; protogyny ESD: social; protandry Sex reversal XY male XX female Sequential hermaphrodite: female, then male Sequential hermaphrodite: male, then female Sequential hermaphrodite: female, then male Drosophila X:A balance X:A=0.5 male X:A=1 female C. elegans X:A balance X:A=0.5 male, X:A=1 hermaphrodites GSD: 遗传性别决定; ESD: 环境性别决定
第2期 程汉华等：早期胚胎的发育选择：性别决定 147 GSD:Genetic sex determination:ESD:Environmental sex determination. 夫氏管分化为附睾、输精管和精囊等雄性组织结构。 过程中基因活动的主线条。同时，由于哺乳类以外 在雌性胚胎中由于缺乏Sy基因，支持细胞前体将 的其他脊椎动物缺乏SRY基因，这些物种的性别决 分化为粒细胞(Granulosa cell)。雌鼠的苗勒氏管分化 定则是由其他基因完成的，如SOX9基因等。 为输卵管、子宫和阴道上部等雌性组织。 3.2S0X9基因 3参与性别决定的关键基因 在对SRY基因的进一步研究过程中发现，当用 SRY基因为探针，在不同进化地位的物种中，从果 对性别决定发育机制的认识正是从探讨其关键 蝇、两栖类、鱼类、鸟类和哺乳动物到人类，都发 调控基因入手的。作为发育调控基因，也有其共同 现了高度同源的基因存在。这类基因都含有一段具 之处。首先，发育与进化是密切结合的，发育又是古 有DNA结合能力的HMG盒。由此推断，这类基因 老的，这类发育基因在进化上都是十分保守的。由 是一类转录因子。现称这类基因为SOX基因 此可以认为发育是生命最基本的，对发育机制的探 (SRY-box)。这是以SRY基因为基本成员的一类新的 讨，需从进化途径上去认识；第二，发育基因多为 控制发育的基因家族。目前己经发现了至少32个 调控基因，HMG盒、同源框和DM结构域都具有 SOX基因成员B引。大致可分为两类，第一类不含内 DNA结合能力。同源框是螺旋一转折一螺旋结构， 含子，多数SOX基因属于这类，另一类是含有内含 HMG盒具有两个α螺旋接一个B折叠.两者都通过其 子的SOX基因。SOX基因参与了广泛的发育调控过 DNA结合能力，参与基因转录调控，第三，发育是 程，包括性别决定与分化，如SRY,SOX9、SOXI7、 高度程序化的，在发育的不同时空，存在着不同组 SOX5、SOX6、SOX3,SOX8等。其他作用包括参与 合的特定基因的表达，正是这种发育基因的程序化 早期胚胎发生(SOX1、SOX2、SOX3、SOX7、SOX8、 的启动与关闭，控制着特定器官形成与个体发育)。 SOX10、SOX12、SOX13、SOX14、SOX15、SOX17 3.1SRY基因 和SOX21等)、神经系统的发育(SOX1、SOX2、SOX3、 SOX10、SOX11、SOX19、SOX21和SOX22等)、眼 男性有Y染色体，女性只有两个X染色体，没 的发育、骨形成和生血细胞的发生等。 有Y染色体，而Y染色体在性别决定中起中心作用。 人们一直致力于寻找人类Y染色体上的性别决定基 SOX9是人类骨生成综合征(CD,campomelic 因，直到1990年，才由Sinclair等克隆到Y染色体 dysplasia)的关键基因。大约70%的CD患者表现为 上一个名为SRY(sex-determining region Y)的基因。 男性到女性的性反转现象，表明该基因参与了性别 SRY基因是位于Y染色体的性别决定关键基因。它 决定6。在缺乏SRY时，SOX9可以诱导Sertoli细胞 决定睾丸的发育启动，进而决定胚胎向男性方向分 的分化。转基因小鼠实验最直接地证明SOX9基因 化发育。这一基因在人类和哺乳动物基因组中都是 参与了性别决定，在Sox9转基因XX小鼠中，表现 十分保守的。经过对SRY基因表达，突变和转基因 出睾丸发生。SOX9基因不仅在人类和小鼠中证实为 小鼠等许多实验证实，它就是人和哺乳动物的 性别决定的关键基因，几乎在所有脊椎动物中（鸟 TDF(睾丸决定因子testis determining factor)基因。然 类、两栖类、爬行类和鱼类)不仅发现存在SOX9基 而，十多年来的研究表明，性别决定不仅仅依靠于 因)，而且与人类和小鼠的情况类似，该基因的表 SRY基因，它是涉及进化时空中多个基因复杂的调 达都表现为雄性上调和雌性下调的模式，显示SOX9 控过程。目前对参与性别决定过程的基因还没有认 基因是脊椎动物的性别决定关键基因。 识清楚，究竞哪些以及有多少基因参与性别决定过 3.3DAX1基因 程尚在探索之中。 研究表明，SRY基因仅存在哺乳类，在性别决定 DAX1是一个X连锁的细胞核激素受体超家族 中具有中心的决定作用，然而，需要其他基因的参 中的孤儿成员，它不具典型的锌指结构DNA结合区， 与，共同决定正常性别的完整发育。这些基因包括， 但仍具有一个3.5个拷贝的67个氨基酸基序重复的 SOX9,DMRT1,DAXI,SFL,MIS和WT1等，它们形 典型配体结合域。Drl基因的缺失或突变都会引起 成了一个信号调节通路，虽然现在还没有完整绘出 先天性肾上腺发育不全(AHC)和促性腺激素分泌不 足，性腺机能减退。小鼠Daxl和Sy在生殖嵴中表 最终调控的网络图，但是，我们己经知道这种发育 达，Darl在两种性别中都有表达，而且DarI随着分 ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 2 期 程汉华等: 早期胚胎的发育选择: 性别决定 147 GSD: Genetic sex determination; ESD: Environmental sex determination. 夫氏管分化为附睾、输精管和精囊等雄性组织结构。 在雌性胚胎中由于缺乏 Sry 基因, 支持细胞前体将 分化为粒细胞(Granulosa cell)。雌鼠的苗勒氏管分化 为输卵管、子宫和阴道上部等雌性组织。 3 参与性别决定的关键基因 对性别决定发育机制的认识正是从探讨其关键 调控基因入手的。作为发育调控基因, 也有其共同 之处。首先, 发育与进化是密切结合的, 发育又是古 老的, 这类发育基因在进化上都是十分保守的。由 此可以认为发育是生命最基本的, 对发育机制的探 讨, 需从进化途径上去认识; 第二, 发育基因多为 调控基因, HMG 盒、同源框和 DM 结构域都具有 DNA 结合能力。同源框是螺旋—转折—螺旋结构, HMG 盒具有两个α螺旋接一个β折叠。两者都通过其 DNA 结合能力, 参与基因转录调控; 第三, 发育是 高度程序化的, 在发育的不同时空, 存在着不同组 合的特定基因的表达, 正是这种发育基因的程序化 的启动与关闭, 控制着特定器官形成与个体发育[3]。 3.1 SRY 基因 男性有 Y 染色体, 女性只有两个 X 染色体, 没 有 Y染色体, 而 Y染色体在性别决定中起中心作用。 人们一直致力于寻找人类 Y 染色体上的性别决定基 因, 直到 1990 年, 才由 Sinclair 等[4]克隆到 Y 染色体 上一个名为 SRY (sex-determining region Y)的基因。 SRY 基因是位于 Y 染色体的性别决定关键基因。它 决定睾丸的发育启动, 进而决定胚胎向男性方向分 化发育。这一基因在人类和哺乳动物基因组中都是 十分保守的。经过对 SRY 基因表达, 突变和转基因 小鼠等许多实验证实 , 它就是人和哺乳动物的 TDF(睾丸决定因子 testis determining factor)基因。然 而, 十多年来的研究表明, 性别决定不仅仅依靠于 SRY 基因, 它是涉及进化时空中多个基因复杂的调 控过程。目前对参与性别决定过程的基因还没有认 识清楚, 究竟哪些以及有多少基因参与性别决定过 程尚在探索之中。 研究表明, SRY 基因仅存在哺乳类, 在性别决定 中具有中心的决定作用, 然而, 需要其他基因的参 与, 共同决定正常性别的完整发育。这些基因包括, SOX9, DMRT1, DAX1, SF1, MIS 和 WT1 等, 它们形 成了一个信号调节通路, 虽然现在还没有完整绘出 最终调控的网络图, 但是, 我们已经知道这种发育 过程中基因活动的主线条。同时, 由于哺乳类以外 的其他脊椎动物缺乏 SRY 基因, 这些物种的性别决 定则是由其他基因完成的, 如 SOX9 基因等。 3.2 SOX9 基因 在对 SRY 基因的进一步研究过程中发现, 当用 SRY 基因为探针, 在不同进化地位的物种中, 从果 蝇、两栖类、鱼类、鸟类和哺乳动物到人类, 都发 现了高度同源的基因存在。这类基因都含有一段具 有 DNA 结合能力的 HMG 盒。由此推断, 这类基因 是一类转录因子。现称这类基因为 SOX 基 因 (SRY-box)。这是以 SRY 基因为基本成员的一类新的 控制发育的基因家族。目前已经发现了至少 32 个 SOX 基因成员[3, 5]。大致可分为两类, 第一类不含内 含子, 多数 SOX 基因属于这类, 另一类是含有内含 子的 SOX 基因。SOX 基因参与了广泛的发育调控过 程, 包括性别决定与分化, 如 SRY、SOX9、SOX17、 SOX5、SOX6、SOX3, SOX8 等。其他作用包括参与 早期胚胎发生(SOX1、SOX2、SOX3、SOX7、SOX8、 SOX10、SOX12、SOX13、SOX14、SOX15、SOX17 和 SOX21 等)、神经系统的发育(SOX1、SOX2、SOX3、 SOX10、SOX11、SOX19、SOX21 和 SOX22 等)、眼 的发育、骨形成和生血细胞的发生等。 SOX9 是人类骨生成综合征(CD, campomelic dysplasia)的关键基因。大约 70%的 CD 患者表现为 男性到女性的性反转现象, 表明该基因参与了性别 决定[6]。在缺乏 SRY 时, SOX9 可以诱导 Sertoli 细胞 的分化。转基因小鼠实验最直接地证明 SOX9 基因 参与了性别决定, 在 Sox9 转基因 XX 小鼠中, 表现 出睾丸发生。SOX9 基因不仅在人类和小鼠中证实为 性别决定的关键基因, 几乎在所有脊椎动物中(鸟 类、两栖类、爬行类和鱼类)不仅发现存在 SOX9 基 因[7], 而且与人类和小鼠的情况类似, 该基因的表 达都表现为雄性上调和雌性下调的模式, 显示 SOX9 基因是脊椎动物的性别决定关键基因。 3.3 DAX1 基因 DAX1 是一个 X 连锁的细胞核激素受体超家族 中的孤儿成员, 它不具典型的锌指结构 DNA 结合区, 但仍具有一个 3.5 个拷贝的 67 个氨基酸基序重复的 典型配体结合域。Dax1 基因的缺失或突变都会引起 先天性肾上腺发育不全(AHC)和促性腺激素分泌不 足, 性腺机能减退。小鼠 Dax1 和 Sry 在生殖嵴中表 达, Dax1 在两种性别中都有表达, 而且 Dax1 随着分
148 送片HEREDITAS(Beijing)2007 第29卷 化过程在睾丸中的表达是下调的，而在卵巢中的表 些结果显示，无论常染色体上的Dmrtl基因，还是 达是恒定的。Amanda认为Darl的产物与Sy的产 Y染色体上的DMY基因都存在相似的选择性剪接现 物是相互拮抗的，Daxl的上调表达导致个体的雌性 象。Dmrt基因是一个新的基因家族。DM是一个具 发育，而Sy的活性增加则引导个体向雄性发育。所 有DNA结合能力的结构域，通过调节目的基因转录 以也把Darl被称为“抗睾丸”基因81。 参与发育调节过程。这些基因在发育调控过程中的 3.4DMRT基因 作用有待进一步研究。 Dmrt基因家族是新近发现的以Dmrtl基因为代 除了上述的这些性别决定基因外，还有其他一 表的一个基因家族。Dmrtl基因是目前为止已知的 些参与性别决定与分化发育的基因，如IR、IRR、 参与性别决定与分化发育的唯一在动物门间保守的 IGFIR、GATA4、FOG2、WNT1、WNT4,SFI、FGF9, 基因。该基因具有果蝇的Dsx基因和线虫的Mab-3 WT1和HSP70等。这些基因之间的作用关系是最近 基因的相似的DM结构域。目前已在哺乳类、鸟类、 本领域研究的主要课题之一。对性别决定调控网络 爬行类、两栖类到鱼类的各个进化地位的物种中都 和分子机制的认识至今仍然没有完全了解清楚，但 发现和克隆了此类基因。研究还表明Dmt基因家族 根据已有的研究结果，我们己经有了大致轮廓。SRY 的很多成员可能与性别发育有关。到目前为止在人 基因仍然是哺乳类性别决定的主控基因，SRY基因 类中发现了至少8个Dmt基因家族的成员。人类9 的存在启动胚胎向雄性方向发育，缺乏该基因则向 号染色体短臂的缺失与性反转密切相关。人类 雌性方向分化。然而近年来的研究发现性别决定的 DMRTI基因位于9p24这个与性反转紧密相关的染 调控网络并非如此简单，它是涉及多基因复杂的调 色体区域，在相同的染色体区域还存在DMRT2、 控过程。最近的研究发现FGF9与WWT4之间具有 DMRT3等成员，另外在人的1号染色体、19号染色 拮抗作用)，使我们对性别决定机制的认识有了进 体以及X染色体上也发现了这个家族的其他成员。 一步的认识。FGF9与WWT4在性别决定前两种性腺 在河飩中也发现了和人类9号染色体该区段的保守 均有表达，FGF9的缺乏会导致XY性反转，WNT4的 同线群，而且河鲀和青鳞中的DMRT的基因簇结构 缺乏会引起XX性腺部分地睾丸发育。在雄性胚胎 是完全一样。人和小鼠的Dmrtl基因，在其DM结 中，SRY的表达引起SOX9的上调，SOX9的高表达又 构域的同源性达98%，人与鸡的Dmrtl在这一区段 导致FGF9的上调，FGF9维持着SOX9的表达，该过 的同源性为86%。DMRT1在人早期雄性性腺形成中 程抑制WNT4的表达，在雄性胚胎中形成了一个正 特异表达，表明在人类性别发育过程中发挥作用。 调控。在缺乏SRY时，WWT4的功能丢失也会引起 Knock-out小鼠的研究表明，小鼠Dmrtl与性别分化 XX胚胎上调FGF9和SOX9。在正常XX胚胎中，由 后期的雄性睾丸细胞的发育和功能有关。鸟类的 于缺乏SRY的作用，FGF9和SOX9正调控不能建立， 染色体性别决定体系为(ZZ/ZW),鸡的Dmrtl基因 WNT4阻止FGF9的作用，DAXI与SRY的拮抗也可 位于Z染色体上Io。ZZ个体的生殖嵴中Dmrtl有 能通过WWT4起作用，从而导致胚胎向雌性方向发 强的表达，而ZW个体表达较弱，这表明ZZ个体中 育。而这些认识并不是完全的，还有其他一些基因 的强表达与鸡雄性性别的发育有关。Dmrtl基因在 在性别决定中发挥作用。综合文献研究结果，可以 鸟类中可能还具有剂量敏感效应。爬行类没有Sy 总结出目前对性别决定调控网络的研究概况（图1）。 的同源基因，只有Sox9具有温度敏感性表达的模式， 因而S0x9被认为是参与爬行类性别决定的关键基 IR IRR FGF9 因。对龟类Dmrtl表达研究，显示Dmrtl在早期的 IGFIR 生殖嵴中有表达，雄性个体的表达强于雌性，表明 WTI SRY SOX9 MIS SF1 Testis Dmtl的表达模式在龟类也具有温度敏感性，而且 GATA4 DMRTI 其性别特异性的表达早于Sox9的性别特异性表达， FOG2 WNT4DAXI 因此认为Dmrtl可能作用于Sox9的上游。本室克隆 No SRY Ovary 了斑马鱼和黄鳝Dmtl基因，发现它们的多重选择 性剪接，其表达与雄性分化发育密切相关山，2。这 图1性别决定的调控网络 Fig.1 A cascade of sex determination ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
148 HEREDITAS (Beijing) 2007 第 29 卷 化过程在睾丸中的表达是下调的, 而在卵巢中的表 达是恒定的。Amanda 认为 Dax1 的产物与 Sry 的产 物是相互拮抗的, Dax1 的上调表达导致个体的雌性 发育, 而 Sry 的活性增加则引导个体向雄性发育。所 以也把 Dax1 被称为“抗睾丸”基因[8]。 3.4 DMRT 基因 Dmrt 基因家族是新近发现的以 Dmrt1 基因为代 表的一个基因家族。Dmrt1 基因是目前为止已知的 参与性别决定与分化发育的唯一在动物门间保守的 基因。该基因具有果蝇的 Dsx 基因和线虫的 Mab-3 基因的相似的 DM 结构域。目前已在哺乳类、鸟类、 爬行类、两栖类到鱼类的各个进化地位的物种中都 发现和克隆了此类基因。研究还表明 Dmrt 基因家族 的很多成员可能与性别发育有关。到目前为止在人 类中发现了至少 8 个 Dmrt 基因家族的成员。人类 9 号染色体短臂的缺失与性反转密切相关。人类 DMRT1 基因位于 9p24 这个与性反转紧密相关的染 色体区域, 在相同的染色体区域还存在 DMRT2、 DMRT3 等成员, 另外在人的 1 号染色体、19 号染色 体以及 X 染色体上也发现了这个家族的其他成员。 在河 中也发现了和人类 鲀 9 号染色体该区段的保守 同线群, 而且河 和青 中的 鲀 鳉 DMRT 的基因簇结构 是完全一样。人和小鼠的 Dmrt1 基因, 在其 DM 结 构域的同源性达 98%, 人与鸡的 Dmrt1 在这一区段 的同源性为 86%。DMRT1 在人早期雄性性腺形成中 特异表达, 表明在人类性别发育过程中发挥作用。 Knock-out 小鼠的研究表明, 小鼠 Dmrt1 与性别分化 后期的雄性睾丸细胞的发育和功能有关[9]。鸟类的 染色体性别决定体系为(ZZ/ZW), 鸡的 Dmrt1 基因 位于 Z 染色体上[10]。ZZ 个体的生殖嵴中 Dmrt1 有 强的表达, 而 ZW 个体表达较弱, 这表明 ZZ 个体中 的强表达与鸡雄性性别的发育有关。Dmrt1 基因在 鸟类中可能还具有剂量敏感效应。爬行类没有 Sry 的同源基因, 只有 Sox9具有温度敏感性表达的模式, 因而 Sox9 被认为是参与爬行类性别决定的关键基 因。对龟类 Dmrt1 表达研究, 显示 Dmrt1 在早期的 生殖嵴中有表达, 雄性个体的表达强于雌性, 表明 Dmrt1 的表达模式在龟类也具有温度敏感性, 而且 其性别特异性的表达早于 Sox9 的性别特异性表达, 因此认为 Dmrt1 可能作用于 Sox9 的上游。本室克隆 了斑马鱼和黄鳝 Dmrt1 基因, 发现它们的多重选择 性剪接, 其表达与雄性分化发育密切相关[11,12]。这 些结果显示, 无论常染色体上的 Dmrt1 基因, 还是 Y染色体上的 DMY 基因都存在相似的选择性剪接现 象。Dmrt 基因是一个新的基因家族。DM 是一个具 有 DNA 结合能力的结构域, 通过调节目的基因转录 参与发育调节过程。这些基因在发育调控过程中的 作用有待进一步研究。 除了上述的这些性别决定基因外, 还有其他一 些参与性别决定与分化发育的基因, 如 IR、IRR、 IGF1R、GATA4、FOG2、WNT1、WNT4、SF1、FGF9、 WT1 和 HSP70 等。这些基因之间的作用关系是最近 本领域研究的主要课题之一。对性别决定调控网络 和分子机制的认识至今仍然没有完全了解清楚, 但 根据已有的研究结果, 我们已经有了大致轮廓。SRY 基因仍然是哺乳类性别决定的主控基因, SRY 基因 的存在启动胚胎向雄性方向发育, 缺乏该基因则向 雌性方向分化。然而近年来的研究发现性别决定的 调控网络并非如此简单, 它是涉及多基因复杂的调 控过程。最近的研究发现 FGF9 与 WNT4 之间具有 拮抗作用[13], 使我们对性别决定机制的认识有了进 一步的认识。FGF9 与 WNT4 在性别决定前两种性腺 均有表达, FGF9 的缺乏会导致 XY 性反转, WNT4 的 缺乏会引起 XX 性腺部分地睾丸发育。在雄性胚胎 中, SRY 的表达引起 SOX9 的上调, SOX9 的高表达又 导致 FGF9 的上调, FGF9 维持着 SOX9 的表达, 该过 程抑制 WNT4 的表达, 在雄性胚胎中形成了一个正 调控。在缺乏 SRY 时, WNT4 的功能丢失也会引起 XX 胚胎上调 FGF9 和 SOX9。在正常 XX 胚胎中, 由 于缺乏 SRY 的作用, FGF9 和 SOX9 正调控不能建立, WNT4 阻止 FGF9 的作用, DAX1 与 SRY 的拮抗也可 能通过 WNT4 起作用, 从而导致胚胎向雌性方向发 育。而这些认识并不是完全的, 还有其他一些基因 在性别决定中发挥作用。综合文献研究结果, 可以 总结出目前对性别决定调控网络的研究概况(图 1)。 图 1 性别决定的调控网络 Fig. 1 A cascade of sex determination
第2期 程汉华等：早期胚胎的发育选择：性别决定 149 4 性别发育基因在进化过程中总是趋向异 lecular cloning and expression of Sox17 in gonads during sex reversal in the rice field eel,a teleost fish with a 配染色体 characteristic of natural sex transformation.Biochem Biophys Res Commun,2003,303:452-457. 性别的二向性分布特征是真核生物几乎出现时 [6]Zhou R,Bonneaud N,Yuan CX,Barbara P de,Boizet B. 就获得的形状，距今约2,000百万年。在脊椎动物演 Tibor S,Scherer G.Roeder RG.Poulat F,Berta P.SOX9 化过程中，随着性染色体的形成，参与性别分化发 interacts with a component of the human thyroid hormone 育的基因总是向异配的性染色体上集中。哺乳动物 receptor-associated protein complex.Nucleic Acids Res, 2002.30:3245-3252. 的Y染色体在300百万年的进化中丢失了大部分基 [7]Zhou R,Liu L,Guo Y,Yu H,Cheng H,Huang X,Tiersch 因，其上的性别决定主控基因SRY可能是由X染色 TR,Berta P.Similar gene structure of two Sox9a genes 体上的SOX3演化而来，其他多数基因是精子发生 and their expression patterns during gonadal differentia- 相关的基因。脊椎动物青鳉是另外一个很好的例子， tion in a teleost fish,rice field eel (Monopterus albus). 青鳉缺乏SRY基因，但是，随着Y染色体的形成，9 Mol Reprod De,2003.66:211-217. 号染色体上的Dmtl基因复制到Y染色体上，形成 [8]Swain A,Narvaez V,Burgoyne P,Camerino G,Lov- ell-Badge R.Daxl antagonizes Sry action in mammalian 了Dy基因，该基因被认为是该类物种的性别决定 sex determination.Nature,1998,391:761-767. 主控基因1。由于Dy仅出现在相临的两个种中， [9]Raymond CS,Murphy MW,O'Sullivan MG,Bardwel VJ, 而同属的其他种不存在Dy,推测该基因是新近形 Zarkower D.Dmrt1,a gene related to worm and fly sexual 成的，距今约10百万年)。最近的研究发现卵生的 regulators,is required for mammalian testis differentiation. Genes Dev,.2000,14:2587-2595. 哺乳动物鸭嘴兽具有5对性染色体，更有趣的是， [10]Nanda I,Shan Z,Schartl M,Burt DW,Koehler M,Noth- 这10条性染色体在减数分裂过程中要形成连状结 wang H,Grutzner F,Paton IR,Windsor D,Dunn I,Engel 构6。该物种缺乏SRY基因，但在其中一条X染色 W,Staeheli P,Mizuno S,Haaf T,Schmid M.300 million 体上具有Dmrtl基因。由于雌性具有两个拷贝的 years of conserved synteny between chicken Z and human Dmrtl基因，而雄性仅一个拷贝，推测该基因具有 chromosome 9.Nature Genet,1999,21:258-259. [11]Guo Y,Cheng H,Huang X,Gao S,Yu H.Zhou R.Gene 剂量效应，这与鸟类ZZ/ZW系统类似。Dmrtl在进 structure,multiple alternative splicing,and expression in 化上具有性染色体相同定位和在性别分化中的类似 gonads of zebrafish Dmrtl.Biochem Biophy Res Comm, 作用，提示Dmtl基因系统有可能是脊椎动物性别 2005,330:950-957 决定的原始模式。而且可以看出，在脊椎动物的进 [12]Huang X,Guo Y,Shui Y,Gao S,Yu H,Cheng H,Zhou R. Multiple alternative splicing and differential expression of 化过程中，这些性别决定基因，无论是SRY,Dmy还 dmrtl during gonad transformation of the rice field eel. 是Dmtl,总是趋向异配染色体，提示性别决定基 Biol Reprod,2005,73:1017-1024. 因存在着共有的内在特性。 [13]Kim Y,Kobayashi A,Sekido R,DiNapoli L,Brennan J, Chaboissier MC,Poulat F,Behringer RR,Lovell-Badge R, 参考文献(References): Capel B.Fgf9 and Wnt4 act as antagonistic signals to regulate mammalian sex determination.PLoS Biol,2006. [1]Zarkower D.Establishing sexual dimorphism:conserva- tion amidst diversity?Nat Genet,2001,2:175-185 4(6):1000-1009. [2]Parker KL,Schedl A,Schimmer PB.Gene interactions in [14]Matsuda M,Nagahama Y,Shinomiya A,Sato T,Matsuda gonadal development.Annu Rev Physiol,1999,61:417- C,Kobayashi T,Morrey CE,Shibata N,Asakawa S,Shi- 433. mizu N,Hori H,Hamaguchi S,Sakaizumi M.DMY is a [3]ZHOU Rong-Jia.Gene families involved in regulating Y-specific DM-domain gene required for male develop- development.Hereditas(Beijing),2001,23(1):86-88. ment in the medaka fish.Nature,2002,417:559-563 周荣家.参与发育的基因家族.遗传，2001,23(1)：86一 [15]Zhang J.Evolution of DMY,a newly emergent male sex-determination gene of medaka fish.Genetics,2004, 88. 166:1887-1895. [4]Sinclair AH,Berta P,Palmer MS,Hawkins JR,Griffiths [16]Grutzner F,Rens W,Tsend-Ayush E,El-Mogharbel N. BL,Smith MJ,Foster JW,Frischauf AM,Lovell BR. Goodfellow PN.A gene from the human sex-determining O'Brien PCM,Jones RC,Ferguson-Smith MA,Graves region encodes a protein with homology to a conserved JAM.In the platypus a meiotic chain of ten sex chromo- DNA-binding motif.Nature,1990,346:240-244. somes shares genes with the bird Z and mammal X chro- [5]Wang R,Cheng H,Xia L,Guo Y,Huang X,Zhou R.Mo- mosomes.Nare,2004,432:913-917. ?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 2 期 程汉华等: 早期胚胎的发育选择: 性别决定 149 4 性别发育基因在进化过程中总是趋向异 配染色体 性别的二向性分布特征是真核生物几乎出现时 就获得的形状, 距今约 2,000 百万年。在脊椎动物演 化过程中, 随着性染色体的形成, 参与性别分化发 育的基因总是向异配的性染色体上集中。哺乳动物 的 Y 染色体在 300 百万年的进化中丢失了大部分基 因, 其上的性别决定主控基因 SRY 可能是由 X 染色 体上的 SOX3 演化而来, 其他多数基因是精子发生 相关的基因。脊椎动物青 是另外一个很好的例子 鳉 , 青 缺乏 鳉 SRY 基因, 但是, 随着 Y 染色体的形成, 9 号染色体上的 Dmrt1 基因复制到 Y 染色体上, 形成 了 Dmy 基因, 该基因被认为是该类物种的性别决定 主控基因[14]。由于 Dmy 仅出现在相临的两个种中, 而同属的其他种不存在 Dmy, 推测该基因是新近形 成的, 距今约 10 百万年[15]。最近的研究发现卵生的 哺乳动物鸭嘴兽具有 5 对性染色体, 更有趣的是, 这 10 条性染色体在减数分裂过程中要形成连状结 构[16]。该物种缺乏 SRY 基因, 但在其中一条 X 染色 体上具有 Dmrt1 基因。由于雌性具有两个拷贝的 Dmrt1 基因, 而雄性仅一个拷贝, 推测该基因具有 剂量效应, 这与鸟类 ZZ/ZW 系统类似。Dmrt1 在进 化上具有性染色体相同定位和在性别分化中的类似 作用, 提示 Dmrt1 基因系统有可能是脊椎动物性别 决定的原始模式。而且可以看出, 在脊椎动物的进 化过程中, 这些性别决定基因, 无论是 SRY, Dmy 还 是 Dmrt1, 总是趋向异配染色体, 提示性别决定基 因存在着共有的内在特性。 参考文献(References): [1] Zarkower D. Establishing sexual dimorphism: conservation amidst diversity? Nat Genet, 2001, 2: 175―185. [2] Parker KL, Schedl A, Schimmer PB. Gene interactions in gonadal development. Annu Rev Physiol, 1999, 61: 417― 433. [3] ZHOU Rong-Jia. Gene families involved in regulating development. Hereditas (Beijing), 2001, 23(1): 86―88. 周荣家. 参与发育的基因家族. 遗传, 2001, 23(1): 86― 88. [4] Sinclair AH, Berta P, Palmer MS, Hawkins JR, Griffiths BL, Smith MJ, Foster JW, Frischauf AM, Lovell BR, Goodfellow PN. A gene from the human sex-determining region encodes a protein with homology to a conserved DNA-binding motif. Nature, 1990, 346: 240―244. [5] Wang R, Cheng H, Xia L, Guo Y, Huang X, Zhou R. Molecular cloning and expression of Sox17 in gonads during sex reversal in the rice field eel, a teleost fish with a characteristic of natural sex transformation. Biochem Biophys Res Commun, 2003, 303: 452―457. [6] Zhou R, Bonneaud N, Yuan CX, Barbara P de, Boizet B, Tibor S, Scherer G, Roeder RG, Poulat F, Berta P. SOX9 interacts with a component of the human thyroid hormone receptor-associated protein complex. Nucleic Acids Res, 2002, 30: 3245―3252. [7] Zhou R, Liu L, Guo Y, Yu H, Cheng H, Huang X, Tiersch TR, Berta P. Similar gene structure of two Sox9a genes and their expression patterns during gonadal differentiation in a teleost fish, rice field eel (Monopterus albus). Mol Reprod Dev, 2003, 66: 211―217. [8] Swain A, Narvaez V, Burgoyne P, Camerino G, Lovell-Badge R. Dax1 antagonizes Sry action in mammalian sex determination. Nature, 1998, 391: 761―767. [9] Raymond CS, Murphy MW, O’Sullivan MG, Bardwel VJ, Zarkower D. Dmrt1, a gene related to worm and fly sexual regulators, is required for mammalian testis differentiation. Genes Dev, 2000, 14: 2587―2595. [10] Nanda I, Shan Z, Schartl M, Burt DW, Koehler M, Nothwang H, Grutzner F, Paton IR, Windsor D, Dunn I, Engel W, Staeheli P, Mizuno S, Haaf T, Schmid M. 300 million years of conserved synteny between chicken Z and human chromosome 9. Nature Genet, 1999, 21: 258―259. [11] Guo Y, Cheng H, Huang X, Gao S, Yu H, Zhou R. Gene structure, multiple alternative splicing, and expression in gonads of zebrafish Dmrt1. Biochem Biophy Res Comm, 2005, 330: 950―957. [12] Huang X, Guo Y, Shui Y, Gao S, Yu H, Cheng H, Zhou R. Multiple alternative splicing and differential expression of dmrt1 during gonad transformation of the rice field eel. Biol Reprod, 2005, 73: 1017―1024. [13] Kim Y, Kobayashi A, Sekido R, DiNapoli L, Brennan J, Chaboissier MC, Poulat F, Behringer RR, Lovell-Badge R, Capel B. Fgf9 and Wnt4 act as antagonistic signals to regulate mammalian sex determination. PLoS Biol，2006, 4(6):1000―1009. [14] Matsuda M, Nagahama Y, Shinomiya A, Sato T, Matsuda C, Kobayashi T, Morrey CE, Shibata N, Asakawa S, Shimizu N, Hori H, Hamaguchi S, Sakaizumi M. DMY is a Y-specific DM-domain gene required for male development in the medaka fish. Nature, 2002, 417: 559―563. [15] Zhang J. Evolution of DMY, a newly emergent male sex-determination gene of medaka fish. Genetics, 2004, 166: 1887―1895. [16] Grutzner F, Rens W, Tsend-Ayush E, El-Mogharbel N, O’Brien PCM, Jones RC, Ferguson-Smith MA, Graves JAM. In the platypus a meiotic chain of ten sex chromosomes shares genes with the bird Z and mammal X chromosomes. Nature, 2004, 432: 913―917
