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1、第十一章 性腺发育与性别决定,温州大学大学生命与环境科学学院,公元前335年，Aristotle指出性别决定于热(heat)，当母亲子宫的冷超过父亲的精热时子代发育为female，female是发育不健全的men。1600s/1700s，已认识到female可以产生能够传递亲本性状的卵子。19世纪末之前，人们认为温度、营养、年龄等环境因素决定了性别。有利于能量和营养储存的因子将使一个人生产女婴，而有利于能量和营养利用的因子则使人有男婴。20世纪初，Mendel定律重新发现(1900)、McClung发现性染色体(1902)、Stevens和Wilson在昆虫上发现了性染色体组成与性别的关系(m
2、ale=XY or XO while female=XX)(1905)，从而认识到遗传物质在性别决定中起重要作用。,哺乳动物生殖细胞的分化方向由所定居的性腺是发育为雌性还是雄性性腺来决定。雌雄性腺的分化则通过初级和次级性别决定产生。,第一节 哺乳动物性腺发育和性别决定,1.Primary sex determination:指生殖腺发育为睾丸或卵巢的选择。胚胎生殖腺(gonad)的发育命运决定于其染色体组成，Y染色体的存在使生殖腺的体细胞发育为testis而非ovary。初级性别决定是严格地由染色体决定的，一般不受环境的影响。e.g.,基因型为XXY的Klinefelter综合症患者的表型为m
3、ale，但不具生殖力；基因型为XO的Turner综合症患者为不能产卵的female。,生殖嵴原基有两种发育方向：TestisOvary,卵巢和精巢的形成都是基因指导的主动过程。二者都是从同样的前体，即有双性发育潜能的性腺（bipotential gonad）衍生而来的。,睾丸决定基因为Y染色体上的SRY(sex-determining region of the Y chromosome),SRY是通过分析人类稀有的XXmale和XY的female的DNA而发现的(1990)。它是一种编码223 aa的转录因子，含有HMG DNA结合区。,SRY：Y染色体上的性别决定子(SRY:The Y c
4、hromosome sex determinant)人类的主要精巢决定因子（testis-determining factor,TDF）基因位于Y染色体的短臂上。通过分析人群中稀有的XX男性和XY女性的DNA，在靠近Y染色体短臂的顶端发现了一个35,000碱基对的区域是雄性特异的DNA序列，这一序列编码一个有223个氨基酸的多肽。这个多肽上有称为HMG框（high-mobility group box）DNA-结合的结构域。这个多肽可能是一个转录因子。这个基因被称为SRY（sex-determining region of Y chromosome，Y染色体上的性别决定区域）。,小鼠Sry基因
5、也存在于Y染色体上，在未分化的生殖腺和正在分化为睾丸的生殖腺中表达。SRY存在于正常XY雄性中和稀有的XX雄性中；在正常XX雌性中和许多XY雌性中不存在。转Sry基因的XX小鼠可长出睾丸和雄性特征，但不能产生正常的精子。如果SRY中发生了点突变或编码框移码突变，这些突变阻止了SRY蛋白与DNA结合或不能使DNA弯曲，则成为XY雌性。,Sry对睾丸发育的影响的实验证据,XY XX,与睾丸命运决定有关的常染色体基因,Sox9：为含HMG DNA结合区的转录因子。含一个额外的SOX9的XX human 将发育为male;而75%的、只含一个有功能的SOX9的XY humans发育为female或两性
6、人。小鼠的Sox9只在雄性生殖嵴中表达，表达时间比Sry约晚。Sox9蛋白可与Amh的启动子结合，促进Amh的表达。,SF1(steroidogenic factor 1)：为含HMG DNA结合区的转录因子。Sf1在雌雄小鼠的未分化的性腺中都表达，但分化开始后就局限在XY小鼠的正在发育的睾丸中。SF1在睾丸支柱细胞中通过协助Sox9而增强AMH基因的表达(see next slide);而在睾丸的间质细胞中，它可激活睾丸酮合成酶基因。,SOX9：常染色体上的精巢决定基因,SOX9是常染色体上能诱导精巢形成的基因。XX型的人如果带有额外的SOX9基因拷贝，则即使没有SRY基因存在也能发育成雄性
7、；通过转SOX9基因产生的XX小鼠发育出精巢。SOX9显示能在精巢形成中替代SRY。,SF1：SRY与雄性发育途径之间的环节另一个由Sry直接或间接激活的蛋白质是转录因子SF1（steroidogenic factor 1，固醇类生成因子）。Sf1在雄性化的间质细胞和足细胞中都有活性。在足细胞中，Sf1与Sox9共同作用，对提高AMH的转录水平是必要的。在间质细胞中，激活编码制造睾酮的酶的基因。,DAX1：它编码细胞核激素受体，是X染色体上的潜在的卵巢决定基因。1980年首次发现于XY姊妹中，1994年克隆出基因，其性别逆转是由于2个拷贝的DAX1可以抑制SRY的作用。小鼠Dax1在生殖嵴细胞
8、中表达，它可能是拮抗Sry的活性而下调sf1的表达。,与卵巢命运决定有关的X染色体基因,DAX1：X染色体上可能的精巢抑制基因1980年，Bernstein和她的同事报道了一对在遗传上是XY型的姐妹。她们的Y染色体是正常的，但其X染色体短壁有小部分重复。Bardoni和她的同事提出这个区域含有一个编码与SRY因子竞争的蛋白质的基因，这个基因对指导卵巢发育是重要的。在XY型胚胎中，这个基因被抑制了，但有两份活化基因拷贝则可超越这种抑制。,Dax1 expression in the mouse genital ridge,Dax1最初在雄性和雌性小鼠胚胎的生殖嵴中都表达；最终Dax1只在XX型生
9、殖腺原基中表达。Dax1能拮抗Sry和Sox9的功能，下调Sf1的表达。,WNT4：是常染色体上的潜在的卵巢决定基因。小鼠Wnt 4在分化前的XX和XY生殖嵴中都表达，其后只在XX生殖腺中表达。在Wnt4-/-XX小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达Amh和睾丸酮等睾丸特异性标记。Sry的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表达和促进Sf1的表达。,WNT4：常染色体上可能的卵巢决定基因 有证据显示Dax1基因是被一个卵巢决定基因的产物WNT4激活的。Wnt4在小鼠的生殖嵴仍还处在双性阶段时即开始表达；在XX型性腺开始形成卵巢时继续维持表达，而在XY型性腺（将变为精巢）中不再能检测到表达。在缺失Wnt
10、4基因的转基因XX型小鼠中，其卵巢不能正常地形成。在带有WNT4重复区域的XY型人中，DAX1过量生产，其性腺发育成为卵巢。,Sry通过在生殖嵴中抑制Wnt4表达和启动Sf1表达而形成精巢。Wnt4的一个可能靶标是编码TAF11105的基因。这种帮助RNA聚合酶与DNA模板结合的TATA结合蛋白亚单位只在卵巢的滤泡细胞中出现。雌性小鼠缺失这种亚单位就不会形成卵巢。,2.secondary sex determination:指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响性器官的发育。次级性别决定影响性腺之外的表型，包括雌性和雄性生殖导管系统和外生殖器官。在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mulleri
11、an duct)退化，而中肾管(Wolffian duct)分化为输精管、附睾、精囊。在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分化为输卵管、子宫等。,抗中肾旁管激素(anti-Mullerian duct hormone,AMH)：由睾丸支柱细胞分泌的560aa糖蛋白，其作用可能是诱导中肾旁管周围的间质细胞分泌一种促凋亡因子，使中肾旁管退化。,Mullerian duct,Wolffian duct,Mullerian duct,Wolffian duct,睾丸酮(testosterone)：由睾丸间质细胞合成，其作用是诱导中肾管分化为输精管、精囊、附睾。,二氢睾丸酮(testosterone
12、)：由睾丸酮转变而成，其作用是控制外生殖器官的形成。缺少5a-ketosteroid reductase 2的XY个体的外形像female.,雌激素(estrogen)：在female胚胎中，雌激素由卵巢合成，它诱导Mullerian duct分化为雌性器官。在male胚胎中，雌激素由肾上腺合成，它使中肾旁管细胞吸收睾丸中的水分，有助于增加精子的寿命和数量。,哺乳类和果蝇都是XX型性染色体产生雌性，XY型性染色体产生雄性，但二者的染色体是用非常不同的方式达到这一目标的。在果蝇中性别的决定是通过X染色体上的雌性决定子和常染色体上的雄性决定子的平衡来实现的。如果二倍体果蝇细胞中只有一条X染色体（1
13、X：2A），则发育成雄性果蝇。如果二倍体果蝇细胞中有两条X染色体（2X：2A），则发育成雌性果蝇。在果蝇中Y染色体不参与性别的决定。但Y染色体上有能在成体精子形成时表达的基因。,第二节 果蝇的性腺发育及性别决定,X染色体上的性别决定基因叫分子基因(numerator)，而常染色体上的性别决定基因叫分母基因(denominator)。二者之比 0.5时，个体将发育为雄性。,果蝇以及常见的昆虫中，可以观察到雌雄嵌合体，即在动物身体的某些部位是雄性，在另一些部位是雌性。这种现象的发生源于X染色体在胚胎的一个细胞核中的丢失。由这个细胞分裂繁殖的所有细胞就不再是XX型（雌性），而是XO型。由于昆虫中没有
14、性激素整合整个身体的表型，每一个细胞都作出自己的性别选择“决定”。那些XO型的细胞表现雄性特征，而那些XX型细胞则表现雌性特征。这种情况提供了昆虫X染色体与性别之间关系的漂亮例证。,果蝇性别决定的分子机制：果蝇性别决定的第一个时期是阅读X：A的比例。X染色体上的什么因子被“计数”？记数的信息又是怎样被利用的呢？,性致死基因（sex-lethal,Sxl）作为性别决定的枢纽,雌性的XX型果蝇中，sxl基因在受精后两小时内即被激活。在XY型细胞中，sxl在早期发育阶段都保持不活化状态。X染色体上基因编码的一些“分子蛋白”激活Sxl基因的雌性特异活化。这些蛋白质属于X：A之比中的X部分，包括sist
15、erless-a和sisterless-b。“分母蛋白”是常染色体上基因编码的蛋白质，包括Deadpan和Extramacrocheatae。,Sxl基因有两个启动子分子蛋白结合到sxl基因的“早期”启动子上，在受精后的短时间内启动这个基因的转录分母蛋白可能通过与分子蛋白形成无活性的杂合二聚体而阻止分子蛋白的结合和激活作用。X：A比例是通过X染色体基因编码的激活因子蛋白与常染色体基因编码的抑制因子蛋白竞争sxl基因的早期启动子来测定的,通过早期启动子转录所产生的SXL蛋白有两个功能：作为转录因子结合到自身基因的“后期”启动子上，而维持自身的表达；作为剪接调节因子对RNA进行选择性剪接。雌性和雄
16、性胚胎都能通过后期启动子进行转录。,在XX型的胚胎中，由第一个启动子激活而产生的Sxl蛋白能结合到自身mRNA前体上，导致进行雌性式样的剪接,XY型胚胎中没有Sx1蛋白质，因此，Sx1转录子按雄性式样进行剪接,在雄性中RNA被剪接后产生8个外显子，在第三外显子中有终止密码。因此，产生的雄性sxl mRNA是无功能的。在雌性中RNA剪接只产生7个外显子，雄性特有的第三外显子被当作一个大的内含子的一部分被剪除了。,转换者基因（The transformer gene）Sx1基因也通过调节转换者基因转录本的剪接而控制性别决定。转换者基因的前体mRNA被选择性剪接而产生雌性特异的mRNA和雄性中存在的
17、非特异性mRNA。雄性中的tra mRNA在第二外显子前端含有一个终止密码，使产生的蛋白质没有功能。雌性中的tra mRNA第二外显子被切除了。,Doublesex：性别决定的开关基因 Doublesex（dsx）基因在雌性和雄性中都被转录，但其原始转录产物被按照性别进行特异剪接。这种选择性的RNA剪接是tra和tra2基因产物共同作用的结果。,如果tra2和雌性特异的tra蛋白都存在，dsx转录本按照雌性特异的方式进行剪接，产生雌性特异的dsx蛋白。如果没有功能性Tra蛋白存在，则进行雄性特异的剪接，产生雄性特异的dsx蛋白。,在XX型果蝇中，雌性Doublesex蛋白（DsxF）与inte
18、rsex基因产物一起作用以制造出负责雌性特异路径的转录因子。抑制负责制造雄性必须器官的FGF基因，激活负责制造卵黄蛋白的一些基因，启动精子储存管的生长，以及修饰bric-a-brac（bab）基因的表达而产生雌性特异的色素外观。雄性Doublesex蛋白（DsxM）可直接作为转录因子指导雄性特异路径的基因表达。这种蛋白质引起生殖盘的雄性区域生长和使雌性生殖盘区域萎谢，激活FGF基因以产生paragonia，将某些表皮结构转换成交合器，修饰bric-a brac基因以产生雄性色素式样,果蝇的雄性和雌性生殖器是从幼虫生殖盘上分开的细胞群衍生而来。在XX型果蝇中，第9体节腹部的Dpp基因被抑制，生殖
19、盘的雌性原基生长和分化成卵巢，雄性原基部分变为雌性的附属器官。在XY型果蝇中，在第8体节腹部的wg基因被抑制，雄性原基生长和分化成精巢；而雌性原基的发育被阻止。,爬行类的温度依赖型性别决定 虽然大多数蛇类和蜥蜴的性别是由受精时的性染色体组合决定的，但大多数龟类和所有的鳄鱼的性别是由受精后的环境决定的。在这些爬行类中，温度是受精卵在一定发育阶段决定性别的关键因子；温度的微小变化能引起性别比例的显著改变,第三节：性别的环境决定Environmental sex determination,爬行动物的性别受温度的影响,芳香化酶和雌激素的产生Aromatase and production of es
20、trogens 爬行类的初级性别决定是激素依赖型的，雌激素是卵巢发育必须的。在爬行类中，即使是在雄性化温度下，雌激素也可以超越温度的影响诱导卵巢发育。同样，即使受精卵是在雌性化温度下孵化，向受精卵注入雌激素合成的抑制剂即可产生雄性后代。,能将睾酮转换成雌激素的芳香化酶在温度依赖型性别决定中起关键作用。上述实验所述的雌激素抑制剂是通过阻止芳香化酶起作用。池龟的芳香化酶活性在25的雄性化孵化温度下非常低。在30的雌性化孵化温度下，在性别决定的关键时期显著升高。,在这些物种中，性别似乎真是存在于脑中。芳香化酶是在胚胎的两个主要区域，即性腺和脑中产生。但性腺的芳香化酶水平在雌性和雄性中是一致的。而脑中
21、芳香化酶活性与温度和雌性相关。当红耳龟和Lepidochelys龟胚胎被在高温下（生产雌龟）孵化时，其脑中芳香化酶活性显著高于孵化在低温下（雄性化）胚胎脑中的芳香化酶活性。脑中这种雌激素产物的增加可能引起神经内分泌的改变，这种改变导致性腺中类固醇激素的形成和卵巢的决定。其机制仍在很大程度尚不为人知。,通常，受精卵在低温下（22-27）孵化产生一个性别，在高温下（30以上）孵化产生另一个性别。只有很小的温度范围能允许在同一窝卵子中既孵化出雌性又孵化出雄性。,红耳龟一窝卵被在28以下孵化，孵化出的所有小龟将都是雄性。在31以上孵化，则孵化出的每个都是雌性。在这两个温度之间的温区内孵化，则孵化出的个体有雌也有雄。,Bonellia的性别取决于幼虫的栖息地,
