性别决定及生殖发育

组员：,组长：扎吾安.叶尔肯,第七章 性别决定及生殖发育Sex determination and reproduction,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(male=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。,一、性别表现型的决定,1. 初级性决定 :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。 e.g., 基因型为XXY的Klinefelter综合症患者的表型为male，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。2. 次要性决定 :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。 在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian 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。,一、性别决定的复杂性,我们知道，人类的性别决定是XY型，即正常女性的性染色体是XX，正常男性是 XY， 这种表现在染色体上的性别决定对于大多数正常人来说是非常明确的。男性与女性从外观上就能区别，简单得连幼儿园小朋友一般根据他们自己的判断，基本上也能准确无误地区别称呼“叔叔”和“阿姨”，这似乎是泾渭分明之事。然而，事实上并不那么简单。人类的性别决定是一个十分复杂的问题，特别是对于其发生的机制问题至今仍未彻底弄清楚。下面我们就从几个方面来探讨一下性别决定的复杂现象。,1. 性别决定的分化发育过程 通常所讲的XX、 XY的性别决定，严格来讲只是在染色体水平上的遗传性别决定，这是在受精阶段所确定的性别决定基础，所以有的人类遗传学书上干脆称XX者为“染色体女人”，XY 者为“染色体男人”。按照老的学术观点认为，在这个遗传性别决定中，卵子是呈中性的，而精子中究竟是带X 染色体，还是带Y 染色体，则是起关键主导作用的；同时还认为，在性染色体之间，X染色体的功能是中性的，而Y染色体是起关键作用的。即凡是有1个Y染色体存在的就可形成睾丸，而无Y染色体存在的则形成卵巢。这种学术观点是以若干种出现性染色体数目异常的性染色体病例为依据的。,例如：单体型45，X表现为女性；三体型47，XXX表现为女性；47, XXY表现为男性；而多体型48，XXXX表现为女性；48，XXXY则表现为男 性。 遗传性别决定在受精阶段形成之后，还需要经过相当长一段时期的性别 分化发育。首先在胚胎发育阶段要通过初级性别分化。无论是 XX 还是 XY, 受精卵在起初的 6-7 周之前的早期胚胎阶段，从形态和生理上都是中性的， 其原始性腺是由两部分组成的：即一个具有原始卵巢特征的外层组织和一个 具有原始睾丸特征的内部质块，此外还有两对与性器官发育有关的原始导管 一对是将在女性中才可能发育的缪勒氏管，另一对是将在男性中才可能发育 的乌夫氏管。此阶段的胚胎仍然有可能向任何一种性别方向分化发育。而到 6-7周以后，才是正式通过初级性别分化，即正常XX胚胎中，原始性腺的皮 质部分开始发育逐渐形成胚胎性卵巢，缪勒氏管逐渐发育成输卵管、子宫等 女性生殖器官，与其同时，髓质部分和乌夫氏管则逐渐退化消失；而在正常 的 XY 胚胎中，则发育情况正好相反，原始性腺的髓质部分逐渐分化发育为 胚胎性睾丸，午非氏管逐渐发育为男性生殖器官，其皮质部分和缪勒氏管则 逐渐消失。这是性别决定的初级分化阶段，是形成第一性征的重要时期。,(一)、哺乳动物的性别决定,1.初级性决定: 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。 e.g., 基因型为XXY的Klinefelter综合症患者的表型为male，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,颗粒细胞分化从皮质性连线和膜的细胞来源于间充质细胞形成毛囊包围的生殖细胞。,哺乳动物性特征的发育机制,LHX9,1：雄性决定的分子机制2：雌性决定的分子机制,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XX的men和XY的women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。,小鼠Sry基因也存在于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。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。,Sry对睾丸发育的影响的实验证据,XY XX,Sry的直接作用模型： Sry直接诱导雄性生殖嵴特异性基因的表达。Sry的间接作用模型：Sry诱导生殖嵴细胞合成某种因子中肾细胞进入生殖嵴诱导生殖嵴表皮细胞转变为睾丸支柱细胞、并表达雄性特异性基因。,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。,Sox和SF对Amh基因表达的作用,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,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。,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。 在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian 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。,cultured in the presence of fetal testis or sertoli cells.,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) ：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。,(二)、果蝇的性别决定,1. 果蝇的性别决定于X染色体的数量: 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。,果蝇的雌雄嵌合体,Gynandromorph happens when an X chromosome is lost from one embryonic nucleus.,控制果蝇雌性的关键基因是sex lethal (sxl),higher,lower,Transformer1: 果蝇性别决定的中间基因。,Doublesex: 缺失该基因的胚胎的生殖原基(雌雄相同)发育产生雌雄相间的生殖结构；雌性和雄性特异性dbx促进特异性性别基因的表达。,(三)、线虫的性别决定,0.2% male progeny,50% male progeny,线虫的性别也决定于X染色体与常染色体套数之比 该比例信号的接受者为Xol-1(XO lethal),(核蛋白) (分泌蛋白) (跨膜蛋白) (转录因子),线虫性别决定因子的作用机制,(四)、X染色体基因的剂量补偿效应,不同性别个体的X连锁基因的不平衡性通过不同的机制进行补偿,哺乳动物X染色体的失活决定于X chromosome inactivation center(XIC): 该中心含Xist基因，其转录的RNA定位于核中，启动X染色体的失活程序。 证据：在XX细胞中，敲除Xist的X染色体不失活；将Xist植入XY胚胎干细胞的一条常染色体上，该条常染色体或X染色体将失活。 失活染色体的H4未乙酰基化，但甲基化，它们与Xist的关系尚不明。,transcripts,果蝇雄性的X染色体的基因转录水平增加,线虫降低雌性个体的X染色体基因的表达雌性个体表达dpy-27基因，sdc-3蛋白指导其产物结合在X染色体上，降低有关基因的转录水平。,(五)、环境因素对性别发育的影响,爬行动物的性别受温度的影响,Bonellia的性别取决于幼虫的栖息地,生殖细胞指机体用来产生精子和卵子的细胞，它们可以长期存在于机体内而死亡、消失。GC不同于生殖嵴前体细胞。,二、生殖细胞(Germ Cells)的发育,(一)、种质质及生殖细胞的迁移,1、果蝇的原生殖细胞的命运决定于后部极质,决定果蝇原生殖细胞的命运的基因,germ cell-less:在卵的生成过程中由营养细胞转录，受精后翻译的蛋白定位在极质中，其缺失导致无生殖细胞。,Oskar: 其母体mRNA定位在极质中，它的表达量影响极细胞的数量，如 1 copy of oskar=10-15 pole cells, 2 copies=35 pole cells, 4 copies=50 pole cells. 它还影响极细胞的定位。,果蝇原生殖细胞的迁移,2、线虫原生殖细胞的命运决定于Pie-1,Pie-1编码核蛋白，其缺失导致P1P4也向体细胞命运分化。其作用可能是抑制生殖细胞中基因转录活性。,3、两栖动物生殖细胞命运也决定于种质质,两栖动物的种质质定位在卵的营养极，用紫外线照射胚胎营养极之后，生殖腺中将缺少生殖细胞。其定位依赖于微管，其迁移与kenesin-like protein有关。迁移路线：营养极囊胚腔内胚层表面形成PGC幼虫肠后部聚集沿肠背部迁移至中肠上部的生殖嵴中，每个生殖嵴有30 PGC。,4、哺乳动物生殖细胞,在原肠胚期，小鼠的PGC位于上胚层中。在7天的小鼠胚胎中，约8个PGC位于原条后部的胚外中胚层中，其后它们迁移经过内胚层、尿囊、卵黄囊到达后肠，再沿后肠背壁向前迁移到达生殖嵴，此时的PGC达25005000个。,干细胞生长因子(SCF)是防止PGC凋亡所必需的，也能促进其繁殖。它由PGC迁移路径中的细胞合成，定位在膜上。White突变(缺失SCF受体基因)或Steel-Dickie突变(SCF不能定位在膜上)的小鼠无PGC或很少的PGC.,Oct-4可能与哺乳动物原生殖细胞的形成有关,5、鸟类生殖细胞,鸟类的PGC最早起源于明区中央的上胚层细胞，在原肠作用中迁移至明区的前部边缘的下胚层，形成生殖新月区(germinal crescent)，这些细胞繁殖成为PGC.,生殖新月区形成血管时，PGC进入血管，通过血液循环到达正在形成的后肠，与肠系膜结合，再迁移进入生殖嵴。,(二)、生殖细胞类型的选择,小鼠生殖细胞的类型主要决定于周边细胞的遗传组成PGC进入生殖嵴的最初几天继续分裂，不分化。随后，在雌性胚胎中，GC进入减数第一次分裂的前期，然后停止直到性成熟才继续减数分裂产生卵子。在雄性胚胎中，GC于有丝分裂的G1期停止，直到性成熟后某些细胞继续有丝分裂，有些开始减数分裂产生精子。误入生殖嵴附近其它组织如肾上腺或中肾的XX或XY型生殖细胞，都将开始减数分裂并发育为卵子。XX型生殖细胞在XY型胚胎的睾丸中采精子发生途径。,哺乳动物不同核型的生殖细胞的减数分裂,XY型生殖细胞发育为精子，不受生殖嵴核型的影响，其命运是autonomous。XX型生殖细胞的命运是non-autonomous,它们在卵巢中发育为卵子，而在睾丸中发育为精子。,影响果蝇生殖细胞类型的因素,线虫XX雌雄同体个体的GC细胞的发育经历两次选择A：有丝分裂和减数分裂之间的选择,离开生殖腺远端的细胞进入减数分裂，而留在远端的细胞继续有丝分裂。远端的单个distal tip cell的纤毛含lag-2蛋白，它与GC上的受体glp-1结合后抑制GC发生减数分裂。用激光使tip cell失活可导致所有GC进入减数分裂；将该细胞移植到其它处，则可使附近细胞继续有丝分裂。,幼虫期离开生殖腺远端的细胞进入减数分裂，产生精子；在成虫期离开生殖腺远端的生殖细胞通过减数分裂产生卵子。,线虫XX雌雄同体个体的GC细胞的发育经历两次选择B：生精或生卵之间的选择,线虫上生精或生卵的分子机制,(三)、精子的发生(spermatogenesis),青春期生精生殖细胞精原细胞(spermatogonia)合成的BMP8B积累到一定浓度时便开始分化。生精细胞表面有N-Cadherin及半乳糖，曲精小管中的支柱细胞表面有N-Cadherin及半乳糖受体，两种细胞通过这些分子的相互作用结合在一起。支柱细胞为生精细胞提供营养和保护，但它们随着生殖细胞变为精子而退化。,Self-renewal,apoptosis,精子分化(spermiogenesis),人约需70天,减数分裂开始,精子分化(spermiogenesis): 高尔基体形成顶体泡，中心粒产生精子鞭毛，线粒体整合入鞭毛，核浓缩，胞质废弃，最后产生成熟的精子。,(四)、卵子的发生(oogenesis),不同物种的产卵力差异很大，如海胆和两栖动物的卵原细胞可以终身进行有丝分裂，每次可产卵成百上千个。 哺乳动物的生殖细胞在出生后就不具备有丝分裂能力。妇女一生只能排出约400个成熟的卵。,初级卵母细胞，减数分裂停止于前期 I,部分初级卵母细胞开始恢复减数分裂,初级卵母细胞的分裂是不均等的 初级卵母细胞分裂产生一个含有所有细胞质的次极卵母细胞和几乎不含胞质的第一极体。,卵母细胞具有丰富的内含物(内含物的积累主要发生在减数分裂前期I),蛙的卵母细胞的生长,哺乳动物卵泡的生长 人卵巢中的原始卵泡周期性地进入生长期，使卵母细胞增大、颗粒细胞数量增加(由GDF-9介导)，只有少数与促性腺激素分泌周期相吻合的卵泡能够存活。,人的排卵周期,颗粒细胞接受LH信号后关闭其与卵母细胞的缝隙通道，激活减数分裂,FSH和LH使卵泡细胞合成雌激素,受精后胚胎滋养层细胞合成催乳素, 使黄体继续存在分泌孕酮,哺乳动物的排卵,LH导致卵泡合成胶原酶、血纤维蛋白溶原酶激活因子、前列腺素等。前列腺素诱导卵巢局部平滑肌收缩和使水分进入卵泡腔中，胶原酶和血纤维蛋白溶原酶激活因子消化卵泡胞外基质。,(五)、配子中基因的imprinting,Imprinting: 指某一个基因是否在胚胎中表达，取决于其来自于父亲或母亲。雄核和雌核在发育中的作用不完全相同，都是胚胎正常发育所必需的。 将雄核胚胎的内细胞团移植到正常胚胎中，嵌合体胚胎的生长增加50%；若移植雌核胚内细胞团，则生长减低50。,小鼠Igf-2和Igf-2r的imprinting将含Igf-2突变的精子与正常卵受精，则子代瘦小；将正常精子与含Igf-2突变的卵受精，则子代正常发育。,Imprinting是一个可逆的过程，可能与甲基化有关,三、受 精,(含透明质酸酶),(精子头部的b-1,4半乳糖苷转移酶与透明带中的ZP3结合),4,顶体反应释放的b-N-乙酰葡糖胺酶降解透明带中的寡糖侧链，顶体粒蛋白酶降解蛋白,精子表面的受精蛋白与卵质膜上的integrin-like受体蛋白结合，导致质膜融合，精核进入卵质。,阻止多精入卵的机制电势改变产生的快速阻止：海胆的第一个精子与卵质膜结合后的13秒内，因钠离子的流入而导致膜电位的迅速升高，从而阻止其它精子与卵膜的结合。,阻止多精入卵的机制形成受精膜的慢速阻止：海胆卵受精后2060秒内，质膜下的皮质颗粒与质膜融合，释放其内含物形成受精膜，阻止其它精子的进入。,受精膜的形成过程,Calcium Wave激活受精卵的发育,向卵质中注射钙离子，可以使其减数分裂继续；向卵质中注射钙离子的螯合物EGTA，则卵不能被激活。,钙