（遗传学专业论文）黑腹果蝇种组ary基因和spe基因的进化和分子系统学研究.pdf

= ec 冷：? 二 删洲删 y 17 3 7 2 j 芝 m o l e c u l a re v o l u t i o na n dp h y l o g e n e t i cs t u d yo fa r ya n ds p e g e n e si nd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r 一。一 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l il i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z e n gq i n g t a o h u b e iu n i v e r s i t y w u h a n ，c h i n a 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 孝砍 日期：2 0 l o 年6 月j 1 5 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以 允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的 前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 作者签名： 杏螽 指导教师签名：嬲 日期：2 d 加6 。形 日期：2 汐，7 摘要 2 0 世纪以来，分子生物学在探索生命的奥秘中发挥了关键作用，它不仅揭示了基因 的结构和功能，而且阐明了生命过程的基本机制一如发育、生理和繁殖。在包括从细菌 到人类的所有生物体中，尽管许多生命过程还有待研究，但发育、生理和生殖的基本机 制在本质上是相同的。然而，生物学中还有许多重大奥秘有待探索，如生命的起源、脑 功能以及原始生物向高等生物的进化。这些奥秘都与进化研究有关，因此大家寄希望于 进化生物学的发展，尤其是分子进化生物学对揭开这些奥秘可能有重要的意义。 本文选择黑腹果蝇y 染色体上的基因a r y 和常染色体上的基因s p e 作为分子标记， 对黑腹果蝇种组中8 个亚种组进行分子进化和系统发育方面的研究。通过p c r 扩增得 到这两个基因的部分编码序列，分析了这两个基因的碱基组成、转换与颠换、内含子， 还分别用邻接法、最大似然法和贝叶斯法构建了黑腹果蝇种组系统进化树，所得到的重 建树的拓扑结构大致一致，充分反映了黑腹果蝇种组中各个亚种组及亚种组中各个种之 间的进化关系。结果表明，这两个基因都没有明显的缺失和插入，但是转换与颠换的频 率非常高；内含子也没有明显的变化；黑腹果蝇种组分为三大谱系，按分化的先后顺序 分别是：a n a n a s s a e 种亚组、m o n t i u m 种亚组和m e l a n o g a s t e r 种亚组及东方6 种亚组。根 据近几十年分子进化的研究，总结了分子进化的主要特征；通过对a r y 基因和s p e 基因 的部分序列的比较和分析，总结了这两个基因在黑腹果蝇种组中进化的特征；讨论了分 子进化的理论与方法，线性树是遵循分子钟假说的，所有的构树方法是用于推导现实树 的，从这两个基因的碱基组成可以看出分子水平上的遗传变异大多数是中性突变，并没 有影响基因的结构和功能。 果蝇基因组计划的完成有很重要的意义，但这并不意味着d n a 序列数据不重要了， 如果有了大量的基因数据，可以提高分歧时间估计的精度。未来对果蝇的研究，也许将 转移到对果蝇的各种生理学现象的研究，从而指导人类一些疾病的研究。 关键词：性别决定；分子进化；系统发育；a r y 基因；s p e 基因 a b s t r a c t s i n c et h e2 0 t hc e n t u r y , m o l e c u l a rb i o l o g yp l a y e dak e yr o l ei ne x p l o r i n gt h em y s t e r i e so f l i f e ，n o to n l yr e v e a l e dt h eg e n es t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，a n dc l a r i f i e dt h eb a s i cm e c h a n i s m so f l i f ep r o c e s s e ss u c ha sd e v e l o p m e n t ，p h y s i o l o g ya n dr e p r o d u c t i o n f r o mb a c t e r i at oh u m a n si n a l lo r g a n i s m s ，t h e s eb a s i cm e c h a n i s m si se s s e n t i a l l yt h es a m e h o w e v e r , t h e r ea r em a n yg r e a t m y s t e r i e si nb i o l o g yt ob ee x p l o r e d ，s u c ha st h eo r i g i no fl i f e ，b r a i nf u n c t i o na n dt h ee v o l u t i o n t h a ti sf r o mo r i g i n a lb i o l o g i c a lt o h i g h e ro r g a n i s m s ，a n dt h e s em y s t e r i e sa r er e l a t e d t o e v o l u t i o n , t h ed e v e l o p m e n to fe v o l u t i o n a r yb i o l o g y , e s p e c i a l l ym o l e c u l a re v o l u t i o n a r y b i o l o g yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ne x p l o r i n gt h em y s t e r i e sh o p e f u l l yi nf u t u r e i nt h ep a p e r , t h eg e n ea r yo nt h ed r o s o p h i l ayc h r o m o s o m ea n dt h eg e n es p eo n e u c h r o m o s o m ea r es e l e c t e da sm o l e c u l a rm a r k e r s ，t h ee i g h ts u b g r o u ps p e c i e so fd r o s o p h i l a m e l a n o g a s t e rs p e c i e sg r o u pa r es t u i e di nm o l e c u l a re v o l u t i o na n dp b y l o g e n e s i s t h ep a r t s e g m e n t so ft h ec o d i n gs e q u e n c e so ft h et w og e n ea r eo b t a i n e db yp c ra m p l i f i c a t i o n ，a n dt h e r e s p e c t i v e l ya d j a c e n t ，t h em a x i m u ml i k e l i h o o da n db a y e s i a nm e t h o d sa r eu s e d t oc o n s t r u c t t h et h ep h y l o g e n e t i ct r e eo f d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e rs p e c i e sg r o u p ，t h ep h y l o g e n e t i ct r e e s g e n e r a l l ya r es a m ei nt o p o l o g y , w h i c hf u l l yr e f l e c tt h ee v o l u t i o n a r yr e l a t i o n s h i pi nt h e d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e rs p e c i e sg r o u p f u t h e r m o r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o l e c u l a r e v o l u t i o na r es u m m a r i z e di nd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e rs p e c i e sg r o u pt h r o u g ht h ec o m p a r i s o n a n da n a l y s i si nt h es e q u e n c e so ft h e s et w og e n e s d r o s o p h i l ag e n o m ep r o je c tt oc o m p l e t eav e r yi m p o r t a n tm e a n i n g ，b u tt h a td o e sn o t m e a nt h a td n a s e q u e n c ed a t ai sn o ti m p o r t a n t ，a n di ft h e yh a v eal o to fg e n e t i cd a t a , c a l l i m p r o v et h ea c c u r a c yo fd i v e r g e n c et i m ee s t i m a t i o n f u t u r er e s e a r c ho nf r u i tf l i e s ，m a yb e t r a n s f e r r e dt ov a r i o u sp h y s i o l o g i c a lp h e n o m e n as t u d i e dt ok n o ws o m eh u m a nd i s e a s e s k e yw o r d s ：s e xd e t e r m i n a t i o n ；m o l e c u l a re v o l u t i o n ；p h y l o g e n e s i s ；a r yg e n e ；s p eg e n e i i 目录 前言1 日u吾 1y 染色体1 1 1y 染色体的测序1 1 2y 染色体的性质2 1 3y 染色体的基因2 1 4y 染色体的功能3 1 5 果蝇y 染色体的起源与进化4 2 果蝇的生殖特征6 2 1 果蝇的性别决定6 2 2 果蝇性别决定的机制6 2 3 哺乳动物的性别决定9 2 4 果蝇和哺乳动物性别决定的异同1 0 3 黑腹果蝇种组( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 的分子系统学研究进展1 0 4a d l e h y d er e d u c t a s ey ( a r y ) 基因和s p a t z l e p r o c e s s i n g e n z y m e ( s p e ) 基因1 l 5 本研究的目的与意义1 3 材料与方法1 4 1 材料1 4 2 仪器和试剂15 2 1 主要仪器1 5 2 2 主要试剂16 3 实验方法1 6 3 1 果蝇总d n a 的提取1 6 3 2p c r 扩增1 7 3 3p c r 产物的回收( x y g e n 试剂盒) 1 9 3 4 感受态细胞的制备1 9 3 5 连接反应和连接物的转化2 0 3 6 蓝白斑筛选2 1 3 7 质粒的抽提2 2 i i i 3 8 重组子的鉴定及测序2 2 4 数据处理2 2 结果与分析一2 4 1 目的片段的获得2 4 2 序列分析2 5 2 1a r y 基因的核酸序列分析2 5 2 2s p e 基因核酸的序列分析3 0 讨论3 5 1 分子进化特征3 5 2a r y 基因和s p e 基因的进化特征3 5 2 1a r k 基因的进化特征3 5 2 2s p e 基因的进化特征3 6 2 3a r y 基因和s p e 基因的比较3 7 3 分子进化的理论及方法3 8 3 1 分子钟假说3 8 3 2 中性学说3 9 4 果蝇基因组计划3 9 5 展望4 0 参考文献4 2 致谢4 6 日ui 1 上- - j l 月i j吾 近百年来，果蝇一直是生物学研究，尤其是生物遗传变异及进化的模型系统的重要 研究对象。通过计算机对果蝇、线虫、酵母和哺乳动物基因的同源性进行比较分析发现， 果蝇的基因与哺乳动物的基因具有较高的同源性。因此，果蝇基因中有许多与人类疾病 基因相类似的基因。目前，随着果蝇基因组全序列分析的完成，加上以往研究中积累的 各种果蝇品系，果蝇的遗传学研究已成为生物学和医学研究的一个强有力的工具。 1y 染色体 1 1y 染色体的测序 遗传学有一个由来已久的争论，即由于y 染色体上基因的丢失，雄性也许会在将 来的某天从地球上永远的消失。现在由于人类y 染色体测序工作的完成，这个争论似乎 有了答案。 y 染色体被认为是非常脆弱的性染色体，y 染色体非重组区在基因变异中所受的选 择压力比其它染色体要大得多，从而使得y 染色体在进化过程中趋向于退化。但是，日 前科学家们完成了对人类y 染色体的基因测序，发现y 染色体的自我保护能力非常强。 这一发现不仅有助于增进人们对男性不育症的了解，用来研究更好的诊断和治疗方法， 它还可以重新激起有关性别进化历程的讨论。( 人类y 染色体的形态以及与x 染色体的 比较如图1 1 所示) 图1 1 电子显微镜下的人类x 染色体和y 染色体 f i g u r e1 - 1 t h ee l e c t r o nm i c r o s c o p yo f t h eh u m a nxc h r o m o s o m e sa n dyc h r o m o s o m e s 湖北大学硕士学位论文 y 染色体的内部存在着一种特殊的结构，使得它在一定的程度上能够自我修复有 害的基因突变。有些科学家曾经认为，在1 0 0 0 万年以内，x 染色体与y 染色体之间的 基因重组将不复存在，最终y 染色体也将会消失。但对人类y 染色体的基因测序发现， y 染色体所包含功能基因比想象中的要多近一倍( 4 0 7 8 ) 。研究还发现，y 染色体的内 部存在着一些“回文结构 ，可能与基因的修复作用有很大的关系。y 染色体的碱基对 中，约有1 2 ( 6 0 0 万5 0 0 0 万) 是处于回文结构中的，其中最长的二段回文结构中有 3 0 0 万个碱基对。这些回文结构里存在许多基因，这样就使得一个基因在回文结构中就 存在两份拷贝，这样就能够在内部完成一种“基因转变”过程，对基因突变进行类似的 修复作用。 但是，回文结构的存在使得基因更容易丢失。在回文结构中存在着控制睾丸发育的 基因，这些基因的丢失就会导致不育症的发生。据统计，有近千分之一的男性的不育都 是这个原因。 另外，y 染色体在进化的过程中，除了退化这个主旋律之外，它还获得了新的功能 基因，其机制还不清楚。 1 2y 染色体的性质 减数分裂时，y 染色体与x 染色体配对，它们的行为虽然像是一对同源染色体，但 是它们相互之间在形态上和构造上有着很大的不同。果蝇的y 染色体几乎全是由异染色 质构成，y 染色体仅仅有几个单拷贝基因，对性别决定并没有作用。在人类中，y 染色 体上有很强的决定男性性腺分化的基因，即使在具有多余x 染色体的个体中，只要存在 y 染色体，内外性器官就都是男性型的。 因为只有雄性中才存在y 染色体，所以y 染色体只会随着时间的变化而缓慢地变 化，所以在一个家族里，所有男性的y 染色体都是一样的。 1 3y 染色体的基因 果蝇的y 染色体上有6 个雄性可育性基因，长臂上有4 个( 肌j 、肌2 、肌3 和肌5 ) ， 短臂上有2 个( k s j 和砖一2 ) ，这些基因在x 染色体上没有相应的等位基因( 如图1 2 所示) 。 2 刖习 甲甲冈甲甲甲甲 外侧动 力蛋白臂 甲 甲 体a b 0儿a b o 图l - 2 黑腹果蝇y 染色体上的司百基因 f i g u r e1 - 2 f e r t i l i t yg e n e so nd m e l a n o g a s t e r sy c h r o m o s o m e 上述基因的特点是： ( 1 ) 不翻译：这6 个基因只转录不翻译，每个基因分别转录形成一种灯刷环，这种 环状的灯刷结构是一个转录单位，它们与特定的蛋白质形成不同的r n p ，一个或多个灯 刷环失活后都会导致雄性的不育； ( 2 ) r n a 都很长：1 5 0 0 k b 左右； ( 3 ) 都有y s 和y a 两种序列：其中y s 是特异序y u ( y - s p e c i f i cs e q u e n c e ) ，只存在于 y 染色体上，每个这样的序列约有2 0 0 个到2 0 0 0 个拷贝，；y a 是y - 装配序列( y - a s s o c i a t e d s e q u e n c e ) ，不仅存在于y 染色体上，也常出现在x 染色体和常染色体上，长约4 0 0 b ， 一个基因家族只出现在一个灯刷环上； ( 4 ) 能够形成二级结构； ( 5 ) 富集蛋白，可以形成不同形态的r n p 。 2 0 0 8 年，m a r i ad v i b r a n o v s k i 等人在d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r 的y 染色体上发现了 两个新的基因( a r y 和肋】，) ，这就使得果蝇y 染色体上的单拷贝的基因数增加到1 2 个( 另外的单拷贝基因为：c c y 、o r y 、印，y 、印，阳，再加上述的6 个致育因子) 。 其中a r y 是本实验所用的一个分子遗传标记，将在后面的文章中详细介绍。 1 4y 染色体的功能 ( 1 ) 与精子发生有关：虽然至今没有发现y 染色体在果蝇的性别决定中有任何的 功能，但是果蝇的y 染色体与精子形成和精卵受精的过程有一定关系。y 染色体在减数 湖北大学硕士学位论文 分裂中处于活跃状态，x o 型雄蝇精子发生受到严重的干扰，从而产生没有活动能力精 子。 ( 2 ) y 染色体对某些蛋白起着调控作用：当y 染色体缺失从2 、从3 和肌5 基因 时，会分别导致雄性果蝇有3 种高离散的动力蛋白的含量明显下降，而这些蛋白都不是 y 染色体编码的，这说明y 染色体的存在对某些常染色体或x 染色体的基因编码的蛋 白质起着调控作用。 1 5 果蝇y 染色体的起源与进化 1 5 1y 染色体的起源 果蝇y 染色体的起源与进化一直是研究的重点，但是到目前为止还没有定论。现在 主要存在的基本理论有以下3 种： ( 1 ) 果蝇y 染色体是由x 染色体退化而形成的； ( 2 ) 果蝇的y 染色体的进化是通过原有基因的选择性丢失或者关闭和获得新的基因 或者遗传功能而形成的； ( 3 ) 果蝇的y 染色体是一种重要的雄性适应性的表现。 1 5 2y 染色体的进化 y 染色体进化模式，如图1 3 所示： 这些观点都说明了y 染色体是一条动态的染色体，其进化伴随着基因的失活、丢失 和新的基因的获得。但是，到目前为止，果蝇y 染色体上的基因究竟是通过什么方式获 得的，y 染色体上的重复序列是在y 染色体丢失了大量基因后积累的还是这些重复序列 的存在导致了y 染色体上的基因的失活和丢失，这些都还没有明确的答案。 最近，美国的生物学家通过分析一种d r o s o p h i l a 的x 染色体的基因表达，再将其与一 种已经测定了全基因组序列的蚊子( a n o p h e l e s g a m b i a e ) 相比较的时候，发现一种x 染 色体的去雄性化的现象。这种现象可以说明具有雄性特异性的基因与染色体的关系。因 为雄性个体所特有的y 染色体对雄性特异性的基因并没有重要的作用，所以这种现象的 发现对于研究y 的起源与进化有着一定的启示作用。 4 前青 ad im o d e l ( d i r e c t e di n a c t i v a t i o n ) n e o y 删小p 洲 ，、，、，v 广， m ， 义 聿l - 忸_ - # j m 相卜幸】h h 】_ p 叶】曩卜 br im o d e l ( r a n d o mi n a c t i v a t i o n ) n e o y 删 扩胛 文 - ，、，、，、，、r w j 、 ，、 大 蝌j h # x 相卜# h 畔斗h - 1 1 1 卜 cl s lm o d e l ( l a r g e s c a l ei n a c t i v a t i o n ) f l f 坩 ， ，、 大火 太 n e o - y 斗州# ：k 柙hh h h h 柑卜 图1 3y 染色体进化模式一个止在进化中的y 染色体( 女l i d m i r a n d a r 辛新型的y 染色体) 上的典氆 的基冈) i ：域上y 染色体退化进化的图解，图中灰色的箭头代表基冈，红色的代表t e 插入位点，蓝色 的部分代表移码突变，绿色的线代表来自y 拷贝上的基冈表达，红色的符号表示y 基冈不再表达。 a d i 模式：定向欠活模式，y 染色体上没有功能的基闪定向失活( 功能基冈得到保护) 。 br l 模式：随机火活模式，基冈为了它们在y 染色体上的功能性而随机失活。 cl s i 模式：人规模欠活模式，染色体上人的基冈区域同时沉默，导致染色质结构的改变。 f i g u r el - 3t h r e em o d e l so f g e n ee x p r e s s i o ne v o l u t i o no nad e g e n e r a t i n gy c h r o m o s o m es c h e m a t i co fa t y p i c a lg e n o m i cr e g i o no na ne v o l v i n gyc h r o m o s o m e ( 1 i k et h en e o - yo fd m i r a n d a ) ，w h e r eg r a ya r r o w s r e p r e s e n tg e n e s ，r e db a r sr e p r e s e n tt ei n s e r t i o n s ，a n db l u eb a r sr e p r e s e n tf f a m e s h i f fm u t a t i o n s g r e e nl i n e s s y m b o l i z ee x p r e s s i o nf r o mt h eyc o p y , a n dar e dc r o s si n d i c a t e st h a ta yg e n ei sn ol o n g e re x p r e s s e d ( a ) t h ed i ( d i r e c t e di n a c t i v a t i o n ) m o d e l g e n e st h a ta r en o n f u n c t i o n a lo nt h eya r et a r g e t e df o r i n a c t i v a t i o n ( a n de x p r e s s i o na tf u n c t i o n a lg e n e si sp r e s e r v e d ) ( b ) t h er i ( r a n d o mi n a c t i v a t i o n ) m o d e l g e n e sa r ei n a c t i v a t e dr a n d o m l yw i t hr e s p e c tt ot h e i rf u n c t i o n a l i t y o n t h ey ( c ) t h el s i ( 1 a r g e s c a l ei n a c t i v a t i o n ) m o d e l l a r g eg e n o m i cr e g i o n s a r es i l e n c e ds i m u l t a n e o u s l y , a sa r e s u l to fc h a n g e si nc h r o m a t i ns t r u c t u r e 湖北大学硕士学位论文 2 果蝇的生殖特征 2 1 果蝇的性别决定 果蝇同人类一样，其性别决定的类型属于x y 型。果蝇共有4 对染色体，其中3 对是 常染色体，另外1 对为性染色体。雌性的性染色体为x x ，雄性的性染色体为x y ，与一 般的x y 型生物不同的是，果蝇y 染色体并没有决定性别的作用，经研究表明x o 型的果 蝇是雄性的，x x y 型的果蝇为雌性的。果蝇的性别决定是由性指数( 即x 染色体数与常 染色体组数( a ) 的比值) 决定的；正常雌性的的比值是x ：a = 2 ：2 = 1 ，正常雄性的比值 为x ：a = i ：2 = o 5 。当这个比值介于l 和0 5 之间时，不管果蝇是否具有y 染色体，都将发 育成为中间类型。果蝇的y 染色体虽然不能决定其性别，但是y 染色体与雄性果蝇的可 育性有关系，研究表明x o 型的果蝇是不育的( 本实验室有研究表明，白斑吸汁果蝇的 雄性即为x o 型，但是它是可育的，至于为什么有待于进一步研究) 。 2 2 果蝇性别决定的机制 果蝇的性别决定是由许多环节调控的。 2 2 1 果蝇早期胚胎的性别决定 果蝇的早期胚胎中，性指数( s e xi n d e x ) ( x ：a ) 决定了其性别的分化。t h o m a sc l i n e b a k e r ( 1 9 8 4 ，1 9 9 3 ) 等发现了与性指数相关的性别决定的途径。这条途径中有着主调节 基因和一系列的性别特异性的基因，通过不同的r n a 剪接方式，从而产生不同的具有 性别特异性的转录因子。 这条调节途经的第一步是由性指数决定的。性指数使得不同的转录因子具有不同的 浓度。而不同的浓度起到了主调节基因的开关的作用。当开关打开时，r n a 能够进行 正常剪接，从而产生调节下一步的具有活性的转录因子，并激活雌性特异基因，使胚胎 发育成为雌性个体；当开关关闭时，r n a 因为剪接的方式不同而选择性地产生另一种 转录因子，它能够激活雄性特异的基因，从而使胚胎发育成为雄性个体。 2 2 2 与果蝇的性别特异性突变相关的基因 ( 1 ) 性别转换基因t r a ( t r a n s f o t r u e r ) 发生基因突变使得性别为雌性( x ：a - - 1 ) 的果 蝇发育成具有雄性表型的果蝇，但是其核型并没有发生变化； 6 前言 ( 2 ) 双重性别基因d s x ( d o u b l e s e x ) 发生基因突变使得个体发育成为中间类型，性 染色体对其没有调控作用； ( 3 ) 性别致死基因s x l ( s e x - l e t h a l ) 如果其基因突变是隐性的，可特异性的导致雌 性个体的死亡；如有其基因突变是显性的，则会导致雄性个体的死亡： ( 4 ) 无女儿基因d a ( d a u g h t e r l e s s ) 这个是母体基因，对性别决定具有母体效应， 当幽为纯合子时母体不产生雌性个体，而雄性个体的发育却是正常的；出现这种结果 的原因出的基因产物对s x l 的早期表达有正调控的作用，如果在卵细胞产生时砌没有 活性，在该卵细胞受精后不管x 染色体数量是多少，都不会能激活s x l 基因，就会导致 所有的子代个体都发育为雄性，这个时候x x 个体就会因为x 连锁基因的剂量比x y 个 体多了一倍，因为剂量不适而导致死亡，故得名； ( 5 ) 特大刚毛基因e m c ( e x t r a m a c r o c h a e t a e ) 该基因也是母体效应基因，它的作用 刚好与幽基因的作用相反，是s x l 基因的负调因子，e m c 的突变会抑制个体向雄性的 方向发育。 2 2 3 性指数的作用 卵巢和早期受精卵中产生的基因产物的相互作用是性指数决定果蝇性别的机制的基 础，其中d a ，h e r ( h e r m a p h r o d i t e 两性的) ( 母体效应基因) 是正调控因子，e m c ，g r o ( g r o u c h o 喜怒的) 是负调控因子。在合子中表达的x 连锁的基因产物与常染色体上的基因产物的 相互作用，为s x l 基因是否激活提供信号；其中x 连锁基因的产物所产生的作用是分子 因素( n u m e r a t o re l e m e n t s ) ，而常染色体基因产物的作用为分母因素( d e n o m i n a t o r e l e m e n t s ) 。已经发现的分子因素有s i s a ( s i s t e r l e s s a 无姐妹a ) 、s i s b 、s i s c 和r u t ? ( r u n t 侏儒基因) ，分母因素有d p n ( d e a d p a n 无表情的) 。雌性个体( 敞) 的x 连锁的分子因素 是雄性个体( x y ) 的二倍，而在二性中分母因素的产物量是相同的，这样雌性个体和 雄性个体的x ：a 的比率分别为1 o 和o 5 。性指数决定性别的机制是将合子中分子因素 在两性中的量的差别转变为s x l 基因转录的“全”或“无”二个迥然不同的质的效应。 在雌性果蝇( x ：a = i 0 ) 中有足够的激活二聚体去打开s x l 基因，而在雄性果蝇中 ( x ：a = o 5 ) 转录因子的量不足以打开开关s x l 基因。 2 2 4s x l 基因是该途径的主开关基因 s x l 基因由p l 、p e 两个启动子和8 个外显子组成，其中第2 个外显子中起始密码 子a u g ，在第3 个和第8 个外显子中有终止密码子u g a 。 湖北大学硕士学位论文 p l ：是早期启动子，它是调节型的，由母体效应基因、分子因子和分母因子共同调 控。由p l 开始的转录翻译是有选择性的，它可以选择性的转录翻译第3 个外显子，使 得转录翻译就此终止，也可以跳过第3 个外显子，避免中途的终止密码子，使转录翻译 可以一直达到第8 个外显子中的u g a ，产生具有活性的s x l 蛋白，该蛋白由3 5 0 个a a 组成。雄性个体( x ：a = o 5 ) 其s x l 的p l 不能被激活，就不能产生s x l 蛋白。 p e ：是晚期启动子，它是组成型的，不需要母体基因、分子因子和分母因子的调控 和激活，果蝇的囊胚形成后，p e 开始表达。s x l 蛋白中含有一定的碱性氨基酸，是 一种r n a 结合蛋白，可以改变p e 产生的s x l 初始转录产物的剪接方式，在雌性果蝇中 由于已存在p l 合成的s x l ，因此可以对p e 的m r n a 进行正确的剪接，而产生有活性 的s x l ，这样s x l 的活性在雌性个体中就得到了保存。雄性个体的p e 虽然能够启动， 但是转录初始物就不能得到s x l 的正确的剪接，第3 个外显子也被转录，这就使得雄性 特异性的m r n a ，只能产生一个很短的没有功能的s x l 多肽。 还有一些基因也涉及到s x l 的表达：如男性化基因v r ( v i r i 1 i z e r ) ，老处女基因s n f ( s a n sf i l l e ) 和雌性致死基因f l ( 2 ) d ( f e m a l e 1 e t h a l 2 d ) ；其中前两者的突变可以阻碍雌性 个体的发育，而雌性致死基因是一个母性效应基因，它的突变使s x l 晚期转录的雌性特 异性剪接受到影响。 2 2 5s x l 控制体细胞性别分化基因 在果蝇性别决定的途径中，融，下游的还有t r a 、t r a 2 、d s x ( d o u b l e s e x ，双重性别基 因) 、x ( i n t e r s e x ，间性基因) 、h e r ( h e r m a p h r o d i t e ，两性基因) 和f r u ( f r u i t l e s s ，不育 基因) 等。 t r a ：是s x l 直接的靶基因，在两性的发育中均被转录，但是只有雌性的果蝇中产生 的才是有功能的t r a 蛋白，s x l 蛋白的存在可以改变t r a 基因转录产物的剪接。 t r a 2 ：具有多个起始位点和多腺苷加尾位点，t r a 2 的功能与r n a 剪接有关。通过 选择性剪接，产生不同的相关r n a ，编码一系列相关蛋白质，这些蛋白的特点是都含 有a r g s e r 富集区和一个r n a 识别区域( r r m ) 。t r a 2 的r n a 有些仅仅存在于雄性个 体的生殖细胞中，是有功能的精子发生的过程中所必需的，和性别决定无关；另一些t r a 2 r n a 在两性个体的体细胞中都存在，没有性别差异，它们只有在t r a 蛋白存在时才显 示出影响性别分化的作用。 甘u舌 d s x ：有两种表达方式，这两种方式是彼此排斥的。一种是：在雌性个体中，在t r a 和t r a 2 的共同作用下，d s x 的m r n a 初始转录产物形成一个较小的蛋白d s x ；另一 种是：在雄性个体中，t r a 蛋白是没有功能的，d s x 的剪切不受t r a 和t r a 2 的影响， 从而产生一个较大的d s x m 蛋白。 厶：打产物可与d s x 相互作用，是雌性分化所必需的基因，使d s x 对雄性分化起 抑制作用。 h e r ：是母体温度敏感基因，是一种具有锌指结构的转录因子，它在果蝇性别决定 途经的上游和下游两个位置上，都起到调控作用。 f r u ：含有与d s x 相似的调节序列，扩“的突变显示了劳伦斯肌肉( m u s e l eo f l a u r e n c e ， m o l ) 缺陷。痧“突变体还出现了雄性求偶行为的缺陷。 2 2 6 剂量补偿效应 剂量补偿效应在x y 型的生物中普遍存在。在雌性个体和雄性个体之间x 连锁基因 的表达量是相近的，而不会因为雌性个体有两条x 染色体而比雄性个体高2 倍，这是通 过剂量补偿机制来进行调节的，此即剂量补偿效应。但在不同的生物中剂量补偿机制是 不同的。 果蝇的剂量补偿效应通过s x l 蛋白来调控的。研究数据表明，蹑，基因通过阻止雌 性个体的x 染色体的过度表达来调节剂量补偿。s x l 功能的打开和关闭与控制体细胞分 化那样控制剂量补偿( 程家安等，2 0 0 1 ) 。 2 3 哺乳动物的性别决定 哺乳动物睾丸的决定是依赖于y 染色体，推测y 染色体上有一个基因，它编码了 一种睾丸决定因子决定性嵴发育成睾丸，这个基因是艘】，( s e x d e t e r m i n i n gr e g i o ny ) 。 另外，与哺乳动物性别决定相关的基因有：f 唧( w i l m s 肿瘤抑制基因) 、s f - i ( s t e r o i d o g e n i cf a c t o r - 1 ) 、s o x 9 ( s r y - 相关基因，s r y - r e l a t e db o x ) 、m i s ( 即a m h ) 、d a x - 1 ( d s s - a h cc r i t i c a lr e g i o no nt h ex ，g e n e1 ) 、d s s ( 剂量敏感性反转基因d o s e g e s e n c i t i v e s e xr e v e r s a l ) 等。 最近，提出的一个人类性别决定和分化的模型，这个模型可以很好地解释迄今为止 所发现的各种性反转现象，但哺乳动物性别决定的研究尚未达到终点。 9 湖北大学硕士学位论文 2 4 果蝇和哺乳动物性别决定的异t 9 j 尽管雌雄果蝇的染色体也是x x 和x y ，但果蝇和哺乳动物的性染色体机制是分别独 立进化出现的，二者存在有很大的不同( 如表1 所示) 。 表1 果蝇和哺乳动物性别决定机制的异同 t a b l e1s e xd e t e r m i n a t i o nm e c h a n i s mo ft h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fd r o s o p h i l aa n dm a m m a l s 展 3 黑腹果蝇种组( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 的分子系统学研究进 1 9 4 2 年，s t u r t e v a n t 最早建立黑腹果蝇种组，属于双翅目、果蝇科、果蝇属、水果果 蝇亚属。1 9 4 9 年，h s u 将黑腹果蝇种组分为5 个亚种组，它们分别是a n a n a s s a e 、 m e l a n o g a s t e r 、m o n t i u m 、s u z u k i i 和t a k a h a s h i i ；1 9 5 4 年，o k a d a 在此基础上又增力1 1t 2 个种 亚组：n i p p o n i c a 和f i c u s p h i l a ；1 9 7 2 年，b o c k 和w h e e l e 提出了黑腹果蝇种组的2 7 个新种， 并新增加了5 个种亚组：d e n t i c u l a t a 、d e n t i s s i m a 、e l e g a n s