昆虫性别决定的分子机制研究进展

2006; 32(2) 蚕 业 科 学 CANYE KEXUE

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昆虫性别决定的分子机制研究进展

查幸福 夏庆友 向仲怀

(西南大学蚕学与生物技术学院, 农业部蚕桑学重点开放实验室, 重庆 400716)

摘 要 模式昆虫果蝇的性别决定是由一系列基因通过级联形式调控的, 其中Sx l 是果蝇性别决定的关键基因, 调控体细胞性别决定、剂量补偿和种系分化。目前的研究表明, 果蝇性别决定级联X A >Sx l >tra >dsx 在昆虫中是部分保守的。性别决定的研究是人们进行昆虫性别控制的基础, 阐明其分子机制将使人们更有效地防治害虫和利用益虫。

关键词 昆虫; 性别决定; 基因; 级联调控

中图分类号 Q 344+ 2 文献标识码 A 文章编号 0257-4799(2006) 02-0151-06

Resear ch Pr ogr ess ofM ol ecularM echanis m of Sex

Deter m i nati on i n I nsects

ZHA Xi n g-Fu XI A Q i n g-You XI A NG Zho ng-Hua i

(TheKe y S e r i c u lt u ra l Lab o ra to ry o f Ag ri c u l tura lM i n i s try, C o ll eg e o f S e ri c u lt u re a nd B i o t e c hno l og y,

S o uthw e s t U n i ve rs i ty, C ho ng q i ng 400716, C hi na )

Ab s tra c t S e x d e t e r m i na ti o n i s re g u l a te d by a h i e ra rc hy c om po se d o f a se ri e s o f g e ne s i n the i nse c t m o d e l fru i tfl y. Am o ng the se g e ne s , S x l i s a ke y se x -d e te r m i n i ng g e ne, w h i c h co n tro l s s e x d e t e r m i na ti o n i n som a ti c c e ll s , do sa g e com p e nsa ti o n and g e r m li ne se x d e te r m i na ti o n . S tud i e s sug g e s t tha t the D ro so p h i l a s ex d e t e r m -i na ti o n h i e ra rc hy X A>S x l>tra >ds x i s no t sha red c om p l e t e l y i n i nse c ts . S tud i e s o n se x d e t e r m i na ti o n p ro v i de the f o unda ti o n f o r m a n t o c on tro lse x e s a rtifi c i a l l y i n i n s e c ts . An und e rs t a nd i ng o f se x d e te r m i na ti o n m ec ha n i sm m a y he l p i n c o ntro lli n g pe s ts a nd utili z i ng be ne fi c i a l i ns e c ts e ff e c ti ve l y. Ke y w o r d s

I nse c ; t S ex de te r m i na ti o n ; G e ne; H i e ra rc hy re g u l a ti o n

*

对于两性生物而言, 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。性是如何产生的, 又是如何进化

的? 几个世纪以来, 一直让世人困惑、争论。近年来, 随着许多性别决定基因尤其是果蝇性别决定基因相继被发现, 人们开始了解在发育过程中受精卵如何发育成雌雄个体、性别决定如何进化等。本文主要就昆虫性别决定的最新进展作一综述。

收稿日期:2006-03-06

资助项目:国家自然科学基金重点项目(编号30330460), 国家重点

基础研究发展计划 973 项目(编号2005CB121000) 。

作者简介:查幸福(1978-), 男, 安徽, 博士研究生。

E-m ai:l xfz ha @s w au . cq. cn 通讯作者:夏庆友, 教授, 博士生导师。

l i s w 1 昆虫性别决定的多样性

昆虫性别决定机制变化多样。一些昆虫是由遗传差异来决定雌性或雄性, 另一些昆虫是由环境条件来决定性别。模式昆虫果蝇的性别是由X 染色体与常染色体套数的比值, 即X A 来决定的。其它许多昆虫性别决定机制与果蝇并不相同。在双翅目昆虫的一些种属中, 性别是由Y 染色体显性雄性决定因子决定, 例如, 家蝇(标准品系) (M usca do m esti -ca )

[1]

、地中海实蝇(C eratitis cap itata )

[3]

[2]

、铜绿蝇

(Lucilia cuprina ) oni )

[4]

和昆士兰果实蝇(B actorocera try -

。少数昆虫, 如红色金蝇(Chry s o m ya rufi f a -[5]

cies ), 性别决定由母体决定, 母体有产雌、产雄之分,

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翅目昆虫家蚕是雌异配子生物, 其性别决定由W 染

[6]

色体上的强雌性化基因F e m 决定。在有些昆虫中, 倍性水平在性别决定中也起重要作用。蜜蜂的雄性来自未受精卵, 而雌蜂来自受精卵, 这种单倍体-二倍体机制决定蜜蜂的性别。可能所有膜翅目(蚂蚁、蜜蜂和黄蜂) 和缨翅目(thrips) 都利用这种单倍体-二倍体机制决定性别

[7]

中没有。随后, 启动子Sx l P e 下游的转录停止, 维持

性启动子Sx l P m 在两性中都被激活。从这时起, 雌雄两性通过选择性剪接使Sx l 性特异表达。雄性中, Sx l 的转录物保留有第3外显子, 此外显子含有一个终止密码子导致翻译一个短的、无功能的蛋白质。雌性中, 这个第3外显子被剪切掉, Sx l 转录物的开放阅读框完整, 编码一个有功能的SXL 蛋白质。Sx l 雌特异拼接的驱动力是SXL 蛋白本身, 这样就启动一个自动调节的循环。由于雄性不能产生早期SXL 蛋白, 所以, 第3外显子不能被剪切掉, 不能建立自我调控

[13]

。性别决定机制在

种内也可能不同。家蝇就是一个典型的例子。在家蝇的标准品系中, 雌为XX 、雄为XY, Y 染色体携带一个显性雄性决定因子M 。在其它自然品系中, 雌性和雄性的染色体很难区分, M 因子位于常染色上。在另一些品系中, 存在显性雌性决定因子。到目前为止, 果蝇的性别决定已研究得相当详细, 性别决定途径的分子调控机制也已阐明。除了果蝇以外, 对其它昆虫的性别决定仍停留在染色体或基因水平。

2 黑腹果蝇性别决定的分子机制

黑腹果蝇的性别决定包括3个方面:体细胞分化、剂量补偿和种系分化。

体细胞性别决定的初级遗传信号是X 染色体与常染色体组的比率(X A ) 。比率为1 0(2X 2A ) 时, 个体发育成雌性, 为0 5(1X 2A ) 时, 则发育成雄性。Y 染色体没有性别决定的功能, 但为雄性可育所必需。雌性发育的关键转换基因Sex lethal (Sxl) 是X A 信号的作用靶目标

[8]

。

在黑腹果蝇中, 雄性只有1条X 染色体而雌性

有2条。雄性通过使大多数X 连锁基因的超转录(hyperactivation) 来进行剂量补偿。参与剂量补偿的基因至少包括以下5个基因:m sl -1、m sl -2、m sl -3、

[14]

m le 和m of 。M SL1蛋白包括一个在转录和染色质成型中所需蛋白特有的酸性N 端。最近的研究表明, M SL1蛋白是M SL 复合体组装的骨架。M SL2蛋白具有一个环指结构, 一个类金属硫蛋白结构域及一个可能在蛋白与蛋白的相互作用中起作用的卷曲螺旋型结构域。M SL3蛋白包含2个染色体结构域。推测m of 基因编码一种乙酰转移酶, 这种酶与剂量补偿相关的特异性组蛋白乙酰化过程中起着直接作用。M SL1、M SL2、M SL3、M LE 、MOF 及2个非编码RNA (rox 1和ro x 2) 形成M SL 复合体

[15, 16]

。在雄

。当X A 为1或

更高时, Sx l 被激活产生有活性的SXL 蛋白。活性SXL 蛋白与其下游靶基因trans for m er(tra ) 的mRNA

前体结合, tra 的mRNA 前体发生雌特异的可变剪接产生有功能的TRA 蛋白。TRA 蛋白与trans for m er -2(tra -2) 基因产物TRA-2协同控制doub lesex (dsx ) 基

[9]

因的表达。d s x 是一双功能基因, 在雌雄中均有活性, 但产生不同的产物, 起着相反的调节作用

[10]

性中, M SL 复合体通过结合到30~40个 染色体进入 位点而结合到雄性染色体上, 然后由这些位点延伸到X 染色体其它位点。此外, 一种激酶JI L -1也优先与雄性X 染色体结合, 但JI L -1蛋白是否在

[17]

剂量补偿中起着基本的作用还不清楚。在雌性中, 由于缺乏M SL2, 不能形成M SL 复合体, 也就不能激活剂量补偿。当缺乏M SL 蛋白中的任何一个时, M SL 复合体便不能形成。M SL 复合体使组蛋白H 4赖氨酸残基16发生乙酰化, 而这种乙酰化的H 4在雄性X 染色体上高度集中, 并依赖于M SL 复合体的功能, 表明雄性X 染色体的超转录是由核小体的乙酰化而使染色质结构改变造成的。Sx l 基因在剂量补偿中的作用比较复杂, 它通过两种不同的机制实现剂量补偿

[18]

。

在雌性中, dsx 基因产物与intersex (i x ) 基因产物协同促进雌性分化基因的表达, 产生雌性分化。在雄性中, Sxl 没有被激活, tra 基因不活化, 结果导致ds x 的雄特异表达, 发生雄性分化。

Sx l 有2个启动子, 建立性启动子Sx l P e 和维持性启动子Sx l P m

[11, 12]

。在胚盘时期, 初级遗传信号X 。在胚胎发生的早期, Sx l 直接控

A 作用于建立性启动子Sx l P e 控制Sx l 转录。由于雌雄X 染色体数目有两倍差异, Sx l 仅在雌中被有效制X 染色体上基因的活性; 在胚胎发育的晚期, Sx l 通过调控m sl -2的表达间接调控剂量补偿。M SL2l ,

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雄性中存在的M SL2蛋白。

相对于体细胞性别决定和剂量补偿来说, 黑腹果蝇种系的分化机制仍不清楚。现有的研究表明种系的分化机制比体细胞的性别决定机制更复杂。Sxl 是体细胞性别决定的主开关基因, 在种系中, Sx l 也是卵子发生所必需的, 但它并不起着性别决定主开关的作用, 其调控方式也与体细胞中不一样

[19]

终止密码子而不产生蛋白。这种表达模式也与果蝇tra 基因类似。为了验证Cctra 是否是雌性发育所必需的, Pane 等

[23]

将Cctra 基因ds R NA 注射地中海实

蝇胚胎进行功能研究。结果表明, 注射dsRNA 使XX 型胚胎发生性转换而发育为雄性个体, 对XY 型胚胎的发育没有影响。ds RNA 注射到XX 型胚胎将导致体内C ctra 活性的暂时丢失, 然而在来自XX 型胚胎的雄性个体中, RT -PCR 分析表明Cctra 的mR -NA 前体以雄特异方式剪接, 完全丢失了在XX 型正常个体中雌特异剪接方式。一个可能性是Cc TRA 有正向的自我调控功能, 直接控制C ctra 的雌特异剪接。这一推测与在C ctra 基因序列上包含若干TRA /TRA2结合位点相吻合。如果这一推测正确, 则地中海实蝇C ctra 的作用与果蝇的Sx l 类似:位于性别决定调控途径的上游, 通过调控下游靶基因控制个体雌性发育, 并且通过自我调控维持着个体的雌性化。地中海实蝇的初始性别决定信号为Y 染色体上的M 因子, 此因子在雄性中可能抑制C ctra 的活性。到目前为止, M 因子还没有被分离。对于剂量补偿, 还没有人研究地中海实蝇是否具有剂量补偿机制。地中海实蝇的X 染色体绝大部分由异染色质组成, 并且与X 连锁的突变极少, 在X 染色

[24]

体上也许没有什么基因。这样, 地中海实蝇似乎不需要剂量补偿机制。如果地中海实蝇具有剂量补偿, 这一机制也不会由C ctra 控制。因为注射ds R -NA 而得到的XX 型性转换个体, 虽失去C ctra 活性, 但依然能发育到成虫。

除了害虫, 一些经济昆虫的性别决定也一直受到关注。例如蜜蜂, 其性别决定机制为单倍-二倍体

[25]

型。最近, Beye 等成功分离出了蜜蜂性别决定基因csd 。该基因编码一种SR 蛋白, 结构与果蝇tra 相似。csd 基因具有很强的序列可变性, 在蜜蜂中共发现19个这样的等位基因。雌蜂有一对不同性质的cs d 等位基因, 分别来自父母, 它们能够形成活性蛋白质促使受精卵发育成雌蜂, 而未受精的卵子只有来自母亲的一个cs d , 不能形成活性蛋白, 只能发育成雄蜂。至于cs d 下游的靶基因, 研究人员推测cs d 调控蜜蜂的d s x 基因(Amd s x ) 。

家蚕(B o m byx m ori ) 是一种重要的经济昆虫, 是鳞翅目昆虫的典型代表。因雌雄个体在经济效益上有显著差异, 其性别决定研究而倍受重视。

, 。

缺乏Sx l 功能的XX 种系发生过度增殖并形成肿瘤囊, 这种细胞可以形成精母细胞特异性晶体, 但不能形成精子。同样, 发生Sx l 突变的XY 种系并不向雌性生殖细胞发育, 但在雄性宿主中能形成可育的精子。所有这些结果说明Sx l 并不是生殖细胞性别决定中的一个主开关基因。在种系中, Sx l 的激活并不需要分子基因sis A 、sis B 、run 及由da 编码的母性产物的存在。Sx l 的下游靶基因也与体细胞中不同。参与体细胞性别决定的基因tra 、ds x 在生殖细胞中并不是必不可少的, 但它们负责传递由体细胞发出的诱导信号。尽管如此, 生殖细胞与体细胞的性别决定仍存在着相同之处, XX 生殖细胞中Sx l 活性的维持是通过自身调控实现。像在体细胞中一样, Sx l 的自身调控需要s nf , fl(2) d 和vir 3个基因, 此外还需要2个种系特异基因ovo 和otu 3 其它昆虫的性别决定

昆虫的性别决定系统多种多样, 其它昆虫性别决定机制与果蝇并不相同。其中一些害虫、益虫的性别决定研究为我们更多地了解昆虫性别决定提供了一些线索。

地中海实蝇为世界著名的害虫, 性染色体类型为XY 型。其性别决定并不利用X A 比值信号, 而是通过Y 染色体上的雄性化因子M 来控制

[2][21]

[20]

。

。近

年来, 通过比较分子研究, 果蝇性别决定基因在地中海实蝇中的同源体相继被分离。Sx l 基因在果蝇中是主开关基因, 然而, 在地中海实蝇中该基因(C cSx l ) 不以性别特异性方式表达, 对性别决定也不发挥明显的作用

[22]

。相比之下, 地中海实蝇的ds x

基因(C cds x ) 表达性特异的转录物, C cds x 性特异的表达模式与果蝇相同。Ccd s x 的基因组和c DNA 序列分析表明该基因结构与果蝇ds x 很相似, 并且存在tra /tra2的结合位点。最近的研究表明, 地中海实蝇的tra 基因(Cctra ) 以性特异方式表达, 雌特异

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Z W 个体为雌。关于家蚕性别决定的遗传基础, 早在20世纪20年代通过染色体变异的分析, 就知道了在其W 染色体上存在着一个雌决定因子Fe m, 即只要有W 染色体的存在, 无论Z 染色体和常染色体

[26]

的多寡, 个体均发育为雌。Abe 等首次用雌特异的RAPD 标记识别了W 染色体的核酸序列。除了一个以外, 所有W-特异性的RAPD 标记推导的序列均显示有与反转录转座子相似的氨基酸序列。用W-特异性RAPD 标记序列从 文库挑选的克隆和BAC 克隆主要由嵌套的转座元件组成, 包括长末端重复(LTR) 和非长末端重复(non -LTR) 反转录转座子(retrotransposons) 、反录座子(retroposons) 、DNA

[27]

转座子(DNA transposons) 及其衍生物。为什么与其它染色体相比, 有这么多的完整的或长的反转录转座子存在于W 染色体上? 一个可能的原因是反转录转座子(retrotransposons) 在W 染色体上的累积可能无害。因为W 上带有很少的功能基因, 因此插入元件不能有效地删除。这些结果与在Z 染色体和常染色体上的发现形成对比, 它们主要有非长末端重复(non -LTR ) 反转录转座子, 但被截短成小片段分布在从3 非翻译区到po ly(A ) 尾的区域, 而且, 很少有LTR 反转录转座子。Z 染色体是细胞中较大的染色体, 在经典重组图上有17个位点。K oike 等

[28]

mRNA 的表达, 以及几种雄性器官的异常形态。这意味着Bm ds x 不仅影响卵黄原蛋白基因, 而且影响信息素结合蛋白基因和雄性器官的形态发生。最近, 随着家蚕基因组计划完成, 家蚕中一些果蝇性别决定基因的同源体被鉴定, 这些同源体的鉴定对家蚕性别决定研究具有重要意义

[34, 35]

。剂量补偿机

制使雌雄的X 染色体在每个细胞的基因表达都是等量的。目前, 越来越多的证据表明家蚕没有剂量

[36]

补偿。Suzuki 等首次报道家蚕在mRNA 水平缺少基因剂量补偿。他们发现, Z 连锁基因T 15 180a 和Bm kettin 的mRNA 在雄中比雌多一倍。Ko ike [28]

等确定了在Bm kettin 位点附近的13个Z 连锁基因的mRNA 水平, 揭示大部分基因在雄中比在雌中表达更多的mRNA 。他们认为Z 染色体是通过一系列基因组重排进化的, 只携带那些其产物在雄需要较高水平的基因。也许那些需要在两性有相同量表达的基因已经转移到常染色体上, 或者需要基因特异性的调控机制。

4 昆虫性别决定的一般模式

W ilkins 在1995年提出蝇类的性别决定机制是位于调控级联上的基因逐步向这一调控途径顶部加入的结果, 而不是由一个古老的多步途径经过基因的丢失或修饰而形成的。Sx l 的同源体已从红色金蝇(Chry so m ya rufifacies ) 、金黄蚤蝇(M egaselia sca -laris ) 、家蝇(M usca do m estica ) 和地中海果实蝇(C er -atitis cap itata ) 中分离得到, 但在所有这些物种中Sx l 没有表现出性别特异性调控, 将家蝇的Sx l 的c DNA 转到黑腹果蝇中进行表达并不能产生性别转换效应。ds x 的同源体也已在昆士兰果实蝇、金黄蚤蝇、家蝇、按蚊及家蚕中发现, 在所有这些物种中, ds x 基因通过选择性剪接而进行性别特异性的调控, 并编码比较保守的性别特异性蛋白同工型。在果蝇属中, 各物种共同使用一个保守的性别决定级联X A >Sx l >tra >dsx 。然而这一级联在非果蝇属的其它双翅昆虫的进化中似乎只是部分保守的, 表明性别决定机制能够通过将上游调节基因加入性别决定级联而发生迅速演变。ds x 同源体的性别特异性剪接在进化中是高度保守的, 而Sx l 同源体却发生分化有力地支持了W il k i n s 所提出的性别决定遗传网络由底部向顶部的理论。最古老的([41-43]

[38-40]

[37]

应用3个重叠的BAC 克隆测序了一段

320kb 的Z 染色体片段。在这一片段内, 在一个约100kb 长度内有4个推导的肌肉蛋白Bm kettin 、Bm titin 、Bm titin 2、Bm projectin 以及一个类多效素蛋白Bmm i p le 。正如所指出的, 家蚕的性别决定于W 染色体的有无。然而, 家蚕性别决定的分子机制尚未解决, 仅分离了ds x (Bmd s x ) 、ix 和tra-2基因

[29-31]

。Bmd s x 与果蝇d s x 在功能上是保守的, 但

[32]

在剪接方式不保守。当Bmd s x 基因在H e La 细胞

中表达, 其剪接方式为雌特异性的, 即雌特异剪接为默认剪接方式, 这与果蝇ds x 的默认剪接方式为雄特异剪接截然不同。在家蚕B m ds x 基因序列上没有发现TRA /TRA2结合位点。这些研究结果表明家蚕Bm ds x 可能不由tra 或tra 2基因控制。卵黄原

[33]

蛋白基因是BmDSX 蛋白的直接靶子。Suzuki 等证实带有雌型Bmd s x 的c DNA 的转基因雄表达卵黄原蛋白, 而在正常雄卵黄原蛋白是很少产生的。相反, 表达了雄型Bm ds x 的mRNA 的转基因雌表现出

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那些位于级联顶部的基因可能是较晚加入的(如Sxl ) 。5 展望

弄清楚昆虫的性别决定机制及其基因调控的分子基础, 可通过遗传手段改变昆虫性别, 使其性别决定向着有利于人类的方向发育, 或产生全部雄性子代; 使害虫种群不能繁衍, 或产生全部雌性子代; 有利于昆虫天敌的大量繁殖和更有效地进行害虫的生物控制。尽管目前已有一些昆虫的性别决定机制研究得较为清楚, 如黑腹果蝇, 并提出了昆虫性别决定的一般模型的假设, 同时能解释一些主要昆虫的性别决定方式, 但昆虫种类繁多, 其性别决定机制变化多样, 许多与人类关系密切的重要经济昆虫(如家蚕) 的性别决定机制有待于研究确定。一旦它们的性别决定机制为人们所了解, 将更有利于人类进行有害昆虫的遗传控制以及为昆虫天敌的遗传改良提供理论基础和有效途径。随着性别决定的分子生物学研究的进一步深入, 或许有一天, 人们可随心所欲地控制昆虫的生殖、性别, 更有效地治理害虫和利用益虫。

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