两栖动物性别决定相关基因的研究进展
动物学杂志ChineseJournalofZoology2011,46(6):134~140
两栖动物性别决定相关基因的研究进展
刘佳李忻怡张育辉
陕西师范大学生命科学学院
西安
*710062
摘要:两栖动物的性别决定机制主要包括遗传性别决定(geneticsexdetermination,GSD)和环境性别决定(environmentalsexdetermination,ESD)。近年来,在两栖动物性别决定和性腺分化机制的研究中,运用分子生物学技术探讨性别决定相关基因及其相互关系方面的研究已获得新的成果。本文通过对DMRT1、DAX1、SF1、SOX3、SOX9、FOXL2、CYP19、CYP17在两栖动物性别决定中作用的分析,显示DAX1、SF1、FOXL2、SOX3均参与芳香化酶基因转录的调节,SOX3促进了CYP19的表达,DAX1、其中FOXL2、SF1则与CYP17的表达调节有关。这些结果提示,两栖动物性别决定相关基因通过作用于CYP19、CYP17的表达调控性别决定过程,基因和温度分别在GSD和ESD过程中通过影响雌、雄激素的水平而决定两栖动物性别。
关键词:两栖动物;性别决定;基因;温度中图分类号:Q953
文献标识码:A
文章编号:0250-3263(2011)06-134-07
SexDetermination-relatedGenesinAmphibians
LIUJia
LIXin-Yi
ZHANGYu-Hui*
710062,China
CollegeofLifeScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi'an
Abstract:Thesexualphenotypeofamphibiansisdeterminedeitherbychromosomalfactors(geneticsexdetermination,GSD),orbyenvironmentalfactors(environmentalsexdetermination,ESD).Recently,newfindingsonthesexdetermination-relatedgenesandtheirinteractionshaveobtainedbyutilizingmolecularbiologymethods.SeveralgenessuchasDMRT1,DAX1,SF1,SOX3,SOX9,FOXL2,CYP19andCYP17havebeenfoundtoplayrolesindeterminingthesexualphenotypeofamphibians,withDAX1,SF1,FOXL2andSOX3involvedintranscriptionalregulationofaromatasegene.FOXL2andSOX3promoteCYP19expression.DAX1andSF1caninfluenceCYP17expression.Sex-determinationgenesplaytheirrolesbyactingontheexpressionofCYP19andCYP17.Bothsex-determinationrelatedgenesandtemperaturedeterminesexofamphibiansbyaffectingestrogenand/orandrogenlevels.Keywords:Amphibians;Sexdetermination;Gene;Temperature
动物性别决定一直是生物学研究的热点内Y染色体容。哺乳类的性别由性染色体决定,
性别决定区(sex-determiningregionofY-chromosome,SRY)在性别决定中起着主导作SOX9、SF1、WT1和DAX1等基因也参与了用,
胚胎性别决定的过程
[1]
物种是遗传依赖性性别决定,另一些则为温度依赖性性别决定,其中温度可能通过控制性别基因表达或调节雌激素水平来决定性别
基金项目
国家自然科学基金项目(No.130770243);
刘佳,女,硕士研究生;E-mail:liujia1986jj@
[3]
。
。鸟类的性别也是由。爬行动物的一些
*通讯作者,E-mail:yu-huizhang@163.com;第一作者介绍sina.com。
收稿日期:2011-07-03,修回日期:2011-09-22
EFT1和DMRT1分别为雌性和雄基因决定的,
性的性别决定候选基因
[2]
。上述表明,至少在两栖动
鱼类性别决定和性腺分化方式差异很大,基因、环境因素、类固醇激素等多种因素参与了这一过程
[4]
不同程度的转化
[11]
物的部分物种,温度能改变其性别,高温暴露可促使雌性雄性化。
。在两栖动物,性别决定包括两种机
[5]
即环境性别决定和遗传性别决定制,。前者
主要指温度依赖性的性别决定,后者包括在染色体、基因等不同水平对性别决定的影响。迄今为止,两栖动物的性别决定机制仍存在众多其中基因对于性别影响的复杂性的未知环节,
和不确定性成为研究的难点。例如在两栖动物的染色体上还没有找到与哺乳动物SRY功能类似的性别决定基因。由于两栖动物在系统进化中的特殊地位,对其性别决定机制的探讨在物种的遗传与进化、延续、繁衍和控制等研究均具有重要意义。
2
2.1
两栖动物的遗传性别决定
两栖动物的性染色体
两栖动物具有
XX/XY和ZZ/ZW两种性别决定系统,这两种性别决定系统已在许多物种被报道。在有尾目,大多数物种为XX/XY性别决定系统,然而用精巢/卵巢原基移植技术证明,美西螈(Ambystomamexicanum)和虎纹钝口螈(A.tigrinum)为ZZ/ZW型性别决定系统[12]。在无尾目,普通蟾蜍(B.bufo)的同型配子(ZZ)为雄性,异型配子(ZW)是雌性。在非洲爪蟾(Xenopuslaevis)、非洲牛箱头蛙(Pyxicephalusadspersus)、德拉平跟蛙(Tomopternadelalandii)、普哈氏滑跖蟾(Leiopelmahamiltoni)5个通蟾蜍、
[13]
,种均为ZZ/ZW性别决定系统而黑斑蛙
1两栖动物的环境性别决定
在两栖动物,环境因素对早期胚胎发育具
有重要的影响,其中温度是影响两栖动物性别决定的主要环境决定因子,被称为温度依赖性别决定(temperaturesexdetermination,TSD),性别决定的关键时期称为温度敏感期(temperaturesensitiveperiod,TSP)。在有尾目,对于欧非肋突螈(Pleurodeleswaltl)、北非肋突螈(P.poireti)和滞育小鲵(Hynobiusretardatus)幼体进行高温性别分化的结果差异较大,在北非肋突暴露后,螈螈
[6][7]
(R.nigromaculata)则为XX/XY性别决定系统
[14]
,粗皮蛙(R.rugosa)具有XX/XY和ZZ/性别决定相关基因
迄今为止,两栖动物
ZW两种性别决定系统[15]。2.2
的许多与性别分化相关的基因已被克隆,如常SOX9、FOXL2等,染色体基因DMRT1、性染色SF1、SOX3等。其中DMRT1和体基因DAX1、
DAX1对雄性性别决定有重要作用,而SOX3和FOXL2则与雌性的性别决定密切相关。所以,这些基因都有可能是两栖动物的性别决定基因,在性别分化的过程中它们在雌雄两性之间表现出差异性表达。2.2.1
DMRT1
DMRT(doublesex-andmab-3-relatedtranscriptionfactor)基因家族编码一类转录调控因子,其蛋白都包含一个具有DNA结合
[16]
。在黑斑蛙和能力的保守基序DM结构域
得到的全部是雌性个体,而在欧非肋突和滞育小鲵
[8]
全部为雄性个体。而将这
些物种置于它们自然生存的温度范围内,得到的是接近1︰1的性别比率。这一结论在非洲树蛙(Hyperoliusviridiflavus)、西北蟾蜍(Bufoboreas)和非洲牛蛙(Pyxicephalusadspersus)等物种也得到证实
[9]
。然而,将滞育小鲵幼体暴
[8]
露在10℃低温下产生的全部为雌性个体。
将冠北螈(Trituruscristatus)幼体置于室温18~24℃下,性别比率接近1︰1,而高温有利于雄性低温有利于雌性化化,
[10]
DMRT1仅在精巢专一表达,粗皮蛙成体,不在其他组织表达
[17-18]
。在无尾目,美洲林。表明DMRT1可能参与精
蛙(Ranasylvatica)幼体在32℃生活33d后产生50%雄性个体,其余个体出现不同程度的雄性化卵巢。在30℃下饲养牛蛙(R.catesbeiana)25~26期蝌蚪4个月,生殖腺出现卵巢向精巢
子发生过程,对其他器官的发育不具有直接作DMRT1最早在分化状态用。并且,在粗皮蛙,的精巢中表达,此时精原细胞仍属于较原始的生殖细胞,然而,未发现DMRT1在卵细胞表
达。若给有良好分化卵巢的雌性(XX)粗皮蛙蝌蚪注射睾酮,促使它发生性逆转,在其性腺中可检测到DMRT1基因表达。而且,在性逆转DMRT1的表达雄性(XX-neomales)的性腺中,也同样上调2.2.2
[18]
水平表达
[25]
。在爬行动物,SF1在性别决定前
的性腺原基中表达,其雌雄之间的差异表达在不同的物种并不一致。在红耳龟(Trachemysscripta)的温度敏感期,雄性的SF1表达水平稳定,而在雌性中下降
[26]
。这暗示DMRT1对雄性的性腺DAX1(dosagesensitivesex-hypoplasia
congenita-critical
。然而,在美洲短吻鳄
分化具有专一性,与精巢的发育有特异性相关。
DAX1
reversal-adrenal
(Alligatormississrppinsis)的温度敏感期,SF1的表达水平在雌性保持不变,而在雄性下降。短很可能与吻鳄卵巢中SF1表达水平高于精巢,胚胎期卵巢中类固醇生成活性较高有关。此外,由于短吻鳄中芳香化酶对卵巢的发育至关SF1在卵巢中的高水平表达可能刺激芳重要,
香化酶的表达,进而促进卵巢的发育基因。2.2.4
SOX3,SOX9
SOX(sry-likeHMGbox)
[28]
[27]
regionoftheXchromosome,gene1)基因编码孤儿核受体DAX1,在人类(Homosapiens)属于伴X基因。它的重复会导致XY型个体的性别逆DAX1转。DAX1是重要的转录抑制因子之一,基因突变将导致人类的先天性肾上腺发育不全
[19]
。由此
SF1是影响性腺分化和性别决定的重要可见,
。DAX1可能通过与SF1相互作用抑制
SF1和WT1的相互作用[20-21]。
DAX1序列全长1.0kb,在粗皮蛙,编码287个氨基酸。DAX1在12期胚胎开始表达,在Ⅹ期蝌蚪表达变强,在刚完成变态的幼蛙,DAX1在精巢的转录水平比卵巢中高。在变态DAX1仅在精巢中表达。在雌后2个月的幼蛙,
DAX1的转录水平逐渐下随着卵巢的发育,蛙,
降。在通过腹腔注射睾酮导致雌性逆转为雄性DAX1的表达先下降,的粗皮蛙,后迅速上升
[22]
基因家族是一类编码转录因子的基因家族,不同成员与不同发育过程相关
。例如,SOX3
位于人类和有袋类动物的X染色体上,参与配子发生。SOX3虽然不是性别决定所必须的,但是对卵母细胞的正常发育和雄性睾丸分化非常重要
[29]
。
SOX3位于性染色体上,在粗皮蛙,在雌性蝌蚪的性腺中高水平表达,可能是上调CYP19表达的调控因子
[30]
。可见DAX1基因与两栖动物精巢的发SF1
SF1(steroidogenicfactor1)基因
。在粗皮蛙蝌蚪性腺分化
育过程密切相关。2.2.3
SF1蛋白含有由两个锌编码孤儿核受体SF1,
SF1位于W指构成的DNA结合域。在粗皮蛙,
[23]
。SF1是染色体的短臂和Z染色体的长臂
SOX3和CYP19在雌性中、后3个时期,的前、
表明SOX3促进CYP19的性腺均高水平表达,
的表达。粗皮蛙卵巢中调节CYP19表达的因子与人类卵巢中不同。定点诱变时,在CYP1957结合位点对SOX3反应性是启动子区域中-至关重要的。有趣的是,缺乏HMGbox区的SOX3不能促进CYP19转录。在爪蟾的A6细SOX3可激活CYP19的表达[31]。上述结果胞,
SOX3是促使未分化性腺发育为卵巢的表明,
SOX3通过HMGbox直接结合一个重要因素,
CYP19的启动子区域上相应的结合位点,激活CYP19转录。
SOX9在人类胚胎发生早期性腺的体细胞表达,对于哺乳类睾丸发育是必须的。在两栖SOX9在雌雄性腺中表达的差异仅出现在类,
发育后期,所以可能与性别决定无关,而与性腺
类固醇激素合成的关键调节因子,在所有合成SF1类固醇的细胞中表达。在粗皮蛙成体,
[24]
mRNA在精巢、。脑、肾上腺、肾和脾中表达
SF1调节多种与类固醇生成相关的基因,包括与雌二醇及睾酮生成相关的芳香化酶基因和3β-羟类固醇脱氢酶的基因。在牛蛙,SF1蛋白垂体、性腺、肝等与类固醇合成和生殖相在脑、
关的组织中高表达,而在皮肤和肠道等非生殖组织中几乎不表达。在牛蛙性腺的性别分化SF1在雌雄两性之间表现出明显的差异性中,
表达,在精巢结构中低水平表达,而在卵巢中高
结构的分化有关。例如,在56期的欧非肋突螈SOX9仅在精巢中表达,幼体,而在成体的精巢和卵巢均表达。在雌性卵母细胞发育的各个时卵质中都可检测到SOX9表达,但在胞核中期,没有检测到
[32]
DAX1、SF1、FOXL2、SOX3均参与芳香化酶基因CYP19和CYP17的调节。其中FOXL2和SOX3促进了CYP19的表达,DAX1和SF1则与CYP17的表达有关。这些结果设想两栖动物性别决定相关基因很可能通过作用于CYP19、CYP17的表达来参与性别决定过程。2.3.1
CYP19
CYP19是编码芳香化酶
(P450arom)的基因,人类的CYP19作为单倍体基因组的单拷贝存在,位于染色体15q2111区带,它含有约30kb的编码区和93kb的调节负责将区。P450arom主要在脑和性腺中产生,雄激素转化为雌激素。在某些非哺乳动物,芳香化酶的水平或活性可参与决定性别分化。
性类固醇激素对许多脊椎动物的性逆转有关键作用,雌激素可导致鱼类、两栖类和爬行类许多物种的雄性逆转为雌性。在欧非肋突螈,室温下饲养雌性幼体在51期后CYP19表达水平迅速增高,到54期性腺开始分化为精巢或卵巢。ZW幼体性腺中的CYP19表达高于ZZ幼体。在温度敏感期,高温暴露欧非肋突螈幼体同时类固醇生成会诱导雌性向雄性的性逆转,
酶CYP19的活性下降。表明欧非肋突螈在温度敏感期间或之后,性腺内的雌激素可能影响性腺分化;CYP19表达水平在促雌性化温度下比促雄性化温度下高
[38]
。在爪蟾,SOX9mRNA首先在
变态后分化良好的性腺中可检测到。在精巢,SOX9表达仅限于Sertoli细胞核,这与在其他脊显示SOX9在脊椎椎动物所报道的结果相似,
SOX9蛋动物睾丸分化中的保守性。在卵巢,白在卵黄合成前期位于卵母细胞的胞质中,在卵黄合成前期转移到细胞核化中具有不同的功能。2.2.5
FOXL2
FOX(forkheadbox)基因家族
[34][33]
。表明SOX9
不是爪蟾的性别决定基因,但在精巢和卵巢分
在脊椎动物中高度保守,其中FOXL2在卵巢的早期发育中有重要的调节作用
。在粗皮蛙,
在性别决定前的雌性(ZW)蝌蚪性腺中FOXL2的表达上调。同时A6细胞的荧光素酶分析证FOXL2可促进爪蟾肾上皮细胞中CYP19表明,达
[35]
。在红耳龟的促雌性化温度下,FOXL2在
[36]
可能促进雌性胚胎期性腺中的表达水平增高,早期发育的性腺
。综上分析,FOXL2在性别
决定前的未分化性腺中表达,它在雌性的表达水平高于雄性。FOXL2可能是CYP19的调节上调CYP19的表达。因子,2.3
性类固醇激素合成的相关基因
在类固
醇生成过程中,CYP11A1、3βHSD、CYP17、17βHSD、CYP19和5αRed共6种类固醇代谢酶是性类固醇激素生成所必须的,其中CYP19使雄烯二酮及睾酮等雄激素转化为雌酮和雌二醇,在雄激素向雌激素转化中具有关键作用;而CYP17则使孕烯醇酮转化为脱氢异雄酮和睾固酮,在雌激素向雄激素转化中起作用。在性CYP11A1、3βHSD、17βHSD12和别决定过程中,
5αRed1在两性之间均未出现差异性表达,因此这些基因对两栖动物性别决定是否有影响还有待进一步的研究。但CYP17的表达发生在粗皮蛙未分化的性腺中,在雄性的转录水平明显高于雌性,而CYP19在雌性性腺中的转录水平明显高于雄性
[37]
。在粗皮蛙,CYP19基
因是常染色体基因
[39]
,表达在雌性性别决定时
CYP19在粗的性腺中是上调的。研究还表明,
皮蛙XX雌性向雄性性逆转的性腺中是上调的
[40]
。其他物种CYP19在性腺分化中的上调
也被报道,例如罗非鱼(Oreochromisniloticus)[41]、欧非肋突螈[42]、棱皮龟
[44]
(Dermochelyscoriacea)[43]、红耳龟和红原鸡
(Gallusgallus)[45]。上述表明,CYP19对脊椎并且对雌性未分化性动物卵巢分化至关重要,
腺中雄激素向雌激素的转化起关键作用。2.3.2
CYP17
CYP17(P450c17or17α-hydroxylase/17,20-lyase)基因在粗皮蛙位于第9号染色体上,为常染色体基因,在卵巢和精巢都有表达
[46]
。虽然CYP17酶在非哺乳脊椎动
。同时,上述研究也表明,物性腺的性别分化中的作用还不十分确定,但
CYP17被认为是类固醇合在性腺和肾上腺中,
成途径中的关键酶,它虽为一种蛋白,但具有17α-羟化酶和C17,20裂解酶的活性,参与合18、C-19和C-21类固醇[46]。成C-CYP17在粗皮蛙的精巢和原位杂交显示,
雄性未分化性腺中都存在。给粗皮蛙蝌蚪注射睾丸激素促进雌性向雄性转化,在注射后16、24天,CYP17的表达明显增强。可见CYP17参与精巢的形成
[47]
CYP17是参与雌激素和雄激素生成的关键基因,调节雌、雄激素的转化。CYP19在分化中的CYP17则在雄性性腺中雌性性腺中表达增加,
表达增加,表明类固醇生成相关基因可通过影响性类固醇激素的水平而影响性腺分化,所以DAX1、SF1、与性别决定密切相关。对DMRT1、
SOX3、SOX9、FOXL2、CYP19、CYP17在两栖动SOX3、物性别决定中作用的分析,显示FOXL2、DAX1、SF1均参与芳香化酶基因转录的调节,SOX3促进了CYP19的表达,其中FOXL2、
DAX1、SF1则与CYP17的表达调节有关。
FOXL2、SOX3、DAX1、SF1基因对两栖动物的性别决定产生重要影响,虽然它们在其他脊椎动物已经被确定为性别决定基因,但由于研究条件的差异,在两栖动物的性别决定中这些基因还有待更多实验确认,所以称之为性别决定相关基因。性别决定基因的鉴定和分析对于探讨两栖动物性别决定至关重要,但性别不可或许是由许多相能由某一个或几个基因决定,
关基因共同作用的。其中一些基因促进卵巢的分化,而另一些基因则促进精巢的分化,还有一些基因可能对卵巢和精巢的分化都有影响。在设想它可能两栖动物如果存在性别决定基因,
CYP17的转录,调节芳香化酶基因CYP19、后者则通过影响雌、雄激素的水平控制性腺分化为精巢或卵巢。
研究表明,在爬行动物的许多物种,孵化温度决定子代的性别。孵化温度和性类固醇激素均能够引发雌雄性别决定。温度通过作用于性类固醇激素合成酶及其受体的基因来决定性别
[51]
。在爪蟾的卵母细胞,CYP17
[48]
mRNA转录水平很高,它们通过CYP17酶产生性成熟所需要的雄激素
。在性腺分化过程
CYP17在未分化性腺的细胞中合成,中,在雄性,孕酮转化为雄烯二酮的过程中活性较高。
P450c17有Ⅰ、在青鳉鱼(Oryziaslatipes),
Ⅱ两种类型,原位杂交显示,在排卵前48h卵P450c17Ⅰ与雌二醇的生成相母细胞的成熟中,
而P450c17Ⅱ与二氢孕酮和前肾中皮质醇关,
的生成相关。P450c17Ⅰ具有17α-羟化酶和C17,20裂解酶活性,P450c17Ⅱ仅有17α-羟化酶活性
[49]
。但是,CYP17酶的两种类型在两栖
类中至今还未被报道。
CYP17在精巢形成过程中具有综上所述,
十分重要的调节作用,并且对雄性未分化性腺中雌激素向雄激素的转化起关键作用。然而,CYP17也是粗皮蛙的一个常染色体基因,上调有待于进一步研究。或下调其表达的因子,
3——温度、结语—基因和性激素在性腺分化中的关系
在两栖动物,温度、基因和激素对性别决定
和性腺分化都有直接或间接的影响。大量的研究证实,两栖动物性类固醇激素影响性腺分化和性腺发育,雌二醇可诱导雄性转为雌性,睾酮可诱导雌性转为雄性。在鸟类胚胎发育早期,雌雄性腺的发育与雌激素有关,然而在性腺分合成雌激素是雌性特有的能力,说化的中后期,
明在卵巢发育中雌激素具有关键作用因素。
CYP19和在性类固醇激素合成过程中,
[50]
。在两栖动物,自然温度不会导致雌雄性
别比率产生大的差异。低温可产生雌性个体,高温则也可产生雄性个体,其机制可能与爬行动物相似。所以,基因和温度分别在GSD和ESD过程中,均可通过影响雌、雄激素的水平而决定两栖动物性别。然而,温度是通过影响酶活性直接影响类固醇合成还是影响某些相关基因的表达,还有待更多的证据。参
考
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献
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