昆虫的性别决定与性别控制

1、浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis 13(6) :327334,2001昆虫的性别决定与性别控制牛宝龙,翁宏飚,孟智启(浙江省农业科学院蚕桑研究所，浙江杭州310021)摘要：昆虫的性别决定因物种的不同而不同，果蝇的性别决定是一个阶梯式的调控过程，原始信号是X A，性别决定的调控核心是sxl ,体细胞性别分化、剂量补偿及生殖细胞分化都是通过SX_对mRNA剪切的调控而实现的。研究昆虫的性别决定是人们进行昆虫的性别控制的基础，随着基因工程的发展，人们可以利用性连锁平衡致死基因、性别特异性致死基因、杀雄微生物等多字方法对 昆虫的性别进行控制。关键词：性别决

2、定；体细胞性别分化；剂量补偿；生殖细胞分化；性别控制；性连锁平衡致死；武装打 靶；杀雄微生物中图分类号：S963文献标识码:A文章编号：1004 - 1524(2001)06- 0327- 08Insect sex determination : NIU Bao2ong , WENG Hong2biao , MENG Zhi2qi ( Sericulture ResearchInstitute, Zhejiang Academy cf Agricultural Sciences Zhejiang, Hangzhou 310021, China)Abstract : Genetic mechan

3、ismsof sex determination in insect are diverse with differentiation of species. Sxl, a key genethat responds to the primary signal of X :A , switches the seXZdetermining pathways in the soma , germline and dosage compensation through alternative splicing of mRNA in the sex2determining cascades in Dr

4、osophila. Researchof sex determination is the basic foundation for insect seX2control which can be efficiently controlled using balanced sexinked lethal genes, sex specific expression of domain lethal genes and male2 killing bacteria with the progress of gene engineering.Key words : sexdetermination

5、; soma ； dosage compensation； germline； sex2control ； balanced sex3inked lethal ； armed cassettestarget ； male2killing bacteria 994-2.01 China Acadieniic Jourtial titctroriic PubJishLiiigAll right営 r亡辽n亡d.IIIww.ciikinst浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis 13(6) :#334,2001 994-2.01 China Acadieniic

6、 Jourtial titctroriic PubJishLiiigAll right営 r亡辽n亡d.IIIww.ciikinst浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis 13(6) :#334,2001昆虫的性别决定因物种的不同而不同，有的物种是XY型,如果蝇1 ,其雄体的性染 色体为XY，雌体为XX；有的物种是 ZW型, 如家蚕2 ,其雄体的性染色体为ZZ ,雌体为ZW；有的物种是单倍 -二倍型。如蜜蜂，其 雌体由受精卵发育而成(2n),雄体由未受精卵发育而成(n)3。它们的性别决定机理各 不相同，有的有剂量补偿，如果蝇1 ；有的没收稿日期：2001

7、- 06 - 10作者简介:牛宝龙(1967 -),男，甘肃会宁人，助理研究员， 主要从事生物工程研究。有剂量补偿，如家蚕2。研究昆虫的性别决 定机理是进行昆虫性别控制的基础。1性别决定性别决定是物种进化选择的结果，是昆虫生命活动的基本特征,并影响其个体发育的各个方面，如胚胎发生、性别分化、生殖等 生理活动过程。性别决定主要包括体细胞性 别分化、生殖细胞分化、剂量补偿三个方面 。 对昆虫性别决定的研究仍处在初期阶段，很多昆虫的性别决定机理尚不清楚。但对果蝇 994-2.01 China Acadieniic Jourtial titctroriic PubJishLiiigAll right営

8、 r亡辽n亡d.IIIww.ciikinst浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis 13(6) :#334,2001 994-2.01 China Acadieniic Jourtial titctroriic PubJishLiiigAll right営 r亡辽n亡d.IIIww.ciikinst牛宝龙等：昆虫的性别决定与性别控制331性别决定的研究比较清楚。果蝇的性别决定是一个阶梯式调控途 径，每一个阶梯都是通过对基因表达的调控 来完成的，这种调控大多是由mRNA前体的选择性剪切，即在mRNA的成熟剪切过程中， 由于性别决定信号的不同，选择不同的外显子

9、拼接，从而产生不同的成熟mRNA4,5。果蝇性别决定的基本信号是X A比例，即细胞内X染色体数与常染色体组数之比，雌体为 2X ：A = 1.0，雄体为 X ：2A = 0. 5。Y 染色体对雄体内精子的形成是必需的，但其对体细胞的性别决定则表现惰性6。性别决定中原始信号X :A的靶基因则是 sxl (sexlethal)基因，sxl是性别决定的调控中心，是控制体细胞性别分化、剂量补偿、生殖细胞分化 的枢纽(如图1) 4。1.1体细胞性别分化体细胞性别分化是由于合子内原始信号 X A的不同，致使胚胎在发育过程中向两个 不同方向发展，最终分化成雌雄两种性别的 过程。在果蝇的体细胞性别分化阶梯中，

10、sxl既受原始信号的调控，又调控tra、dsx等基因的表达。1.1.1原始信号X :A对sxl的调控 Sxl的 表达是受一系列的转录因子调控的，这些转肆蜡信号X : ASilTraDm i 刑卄悽 怵坡胞性别分览 生廉駅胞分化图1果蝇的性别决定模式图(参考Schiit C4)Fig. 1 Simplified model of sexdetermination in Drosophi2 la(Schtft C4)录因子可分为主控因子、母系因子、数量调控 因子三类。主控因子是由来自常染色体的 deap表达的DPNQPN对sxl的表达起抑制 作用。母系因子包括起正调控的DA(daute2les、H

11、ER(hermaphrodite和起负调控的 EMC (extramacrochaetje、GRO( gro) ，GRO 与 DPN 结合，协同对SX_的早期表达启动子(sxlPe) 起抑制作用；EMC通过与DA或SISB结合形 成无活性的异二聚体，消除DA或SISB对 DPN的结合。无论主控因子 DPN还是母系 因子DA、GRO等，在雌雄体都是等量的，只起信号传导的作用。数量控制因子包括 X染色体上的sis2A、 sis2B、sis2C、runt 表达的 SIS、SISB、SISC (UPD)、RUNT等转录因子，在雌雄体内的数 量是有差别的，雌体内是雄体内的2倍，这可 能就是X :A的原始

12、信号。数量控制因子 UPD通过启动 JAK2STATS信息通道对 sxl Pe 起正调控7,8。当 X ：A = 0. 5 时，SISA、SIS3 只够与 EMC 及DPN结合，不能与DA构成活性二聚体去 启动sxlPe的表达；当X :A = 1时，就有足够 的SISA、SIS3，既可以与 DPN、EMC结合，又可 以与DA构成活性二聚体，进一步与 STATs一起启动sxlPe的表达。1.1.2 sxl对性别决定的调控 -mRNA的选择 性剪切Sxl是性别决定调控阶梯中的关键基因，SXL对性别决定各阶梯的调控属于转 录后调控，是通过对hnRNA的选择性剪切， 产生不同的成熟 mRNA而实现的。

13、SX_是一 种RNA结合蛋白，含有两个RNA结合域 (RRM)，能够选择性的与mRNA上内含子剪切点结合，引起内含子剪切的差异，从而产生 不同的mRNA。SX_对mRNA剪切的调控有 三种形式4,5。(1) 跳跃外显子一自我调控。sxl有两个 不同的启动子 sxlPe、sxl Pm。sxl Pe为早期启 动子，受代表原始信号X : A的转录因子SISA、SISB、RUNT、UPD及其它转录因子 DPN、DA、GRO、EMC 的调控。sxlPe仅在雌 体胚胎早期表达 SX_ , SXL 一旦表达，sxl Pe 就沉默，而由sxiPm(维持启动子)来表达 SX_。sxl Pm在雌雄体内都有表达活性

14、，在雌 体内由sxlPm启动转录的 sxl mRNA前体在 成熟剪切拼接过程中，由于sxl Pe表达的SXL 能与sxl mRNA前体中的第三个外显子两侧 的RNA剪切位点结合,致使RNA剪切因子 SNF将第三外显子切除，拼接出的sxl mRNA 能表达完整、有活性的SXL。而在雄体内由 于没有sxlPe启动表达的SX_的参与，由 sxlPm启动转录的sxl mRNA前体在拼接时， 就将其中的第三外显子保留，而第三外显子中有一个终止子，从而在sxl mRNA翻译过程 中引起提前终止，不能表达出完整有活性的 SX_ 4。(2) 选择3 剪切点SX_对体细胞分化的调控。SXL在调控下游基因tra

15、mRNA的剪切时，SXL与其上游的3剪切点结合，阻 止剪切因子U2AF从此处剪切，只能从下游 剪切点剪切，这样一来就拼接出有活性的tramRNA;而在雄体内，由于没有SX_，剪切因子 U2AF就从上游剪切点剪切，仅能将内含子部 分切除，余下的内含子中含有终止子，致使翻译提前终止。在dsx mRNA前体的剪切中， SX_与内含子3剪切点结合，致使剪切因子 从下游剪切，将第四外显子一并切除，拼接的 mRNA表达出雌性特异蛋白 DSXF;而雄体内 的dsx mRNA前体在拼接时，将第四外显子 保留，第四外显子中有终止子，拼接出的mR2NA表达出雄性特异的DSXM。由于雌雄体内表达的DSXF与DSXM

16、的不同，使体细胞 向两个不同的方向发育4,9。(3) 阻断翻译 -SX_对剂量补偿的调控。在剂量补偿调控基因ms22 mRNA的5 UTR和3 UTR中有SX_的结合位点，雌体内的 SXL就与msl22mRNA结合，从而阻止了 msl22mRNA的翻译；而在雄体内由于没有SX_的阻止，ms22 mRNA就可以翻译出 MS_22，从而 启动雄体内X染色体上的基因的剂量补偿 作用10。1.2剂量补偿在性别决定的进化过程中，异型合子只含有一个X染色体，而同型合子有两个 X染 色体，剂量补偿就是使雌雄个体之间 X染色 体上基因的转录水平保持平衡。果蝇的剂量补偿是通过上调雄体中X染色体上的基因表达水平来

17、实现的 。ms2l、 ms22、msl23、mle、mcf五个基因对 X染色体 上基因的上调是必须的，五种蛋白构成的异聚体可以与X染色体的上百个位点结合，缺 少任何一种蛋白就不能构成活性异聚体。其中msl2l、ms23、mle、mcf在雌雄个体中都表 达 而 ms22仅在雄体内表达。SXL就是通过抑制ms22翻译使其在雌体内沉默；而在雄体内ms22没有SXL的抑制，得以翻译从 而启动剂量补偿9。1.3生殖细胞分化生殖细胞分化是指体细胞经一系列反 应，由有丝分裂转化为减数分裂，最终发育成 配子的过程。对生殖细胞分化机理的研究较 少，果蝇的生殖细胞分化是由体细胞信号和 生殖细胞自身的调控共同作用来

18、完成的。体细胞性别分化过程和生殖细胞分化过程是两 种截然不同的调控模式，生殖细胞分化的调控因子与体细胞性别分化的调控因子不同，SX_虽然在配子发育过程中是必须的，但不是关键基因，SXL在生殖细胞分化中控制卵 母细胞的有丝分裂，并在卵母细胞由有丝分 裂向减数分裂的转化中起作用。其下游的作用靶点也不是tra、dsx，但这些在体细胞性别 分化中发挥作用的调控因子对生殖细胞分化 有诱导作用，这就是生殖细胞分化中的体细 胞信号。生殖细胞分化的自我调控机制依赖 于两个特异的调控基因ovo、otu，同时还受迫】聊42。I f.hiiia Acadenik Jounwl EleciriH)ic Jubhshi

19、rtg Ilou监 AIL riJus- reserved.Imp:却环vu,#浙江农业学报第13卷（2001）snf、fl （2）、vir等基因的调控 。控制生殖细 胞分化的关键基因仍是未知的，也许本身就不存在这个基因，也许是受体细胞诱导和 sxl、ovo、otu等生殖细胞分化的特异基因的 联合作用而启动的4。对昆虫中其它物种性别决定的研究刚刚 起步，家蚕是ZW型，通过对家蚕Z染色体连 锁基因的转录分析发现，在家蚕中没有剂量 补偿现象2,11。W染色体对雌体分化发育是 必须的，但是至今还没有在家蚕W染色体上找到性别决定基因。在家蚕的常染色体上已 经发现一个与性别有关的基因|Bmdsx【23

20、，Bmdsx与果蝇dsx具有很高的同源性 ，其转 录后的剪切及对家蚕性别的调控方式与果蝇 的dsx相似。同样在家蝇中也发现 dsx基 因，并对其上游的调控基因有所了解 13，其 性别决定的原始信号为M，性别决定的关键基因为F，有活性的F选择雌性分化，而M具 有抑制F活性的作用，从而选择雄性分 化。蜜蜂的性别决定属于单倍-二倍型，其性别除受染色体的倍数控制外，还受环境的影响。蜂王产下的少数卵是未受精卵（n）,发育成雄蜂。多数为受精卵（2n）孵化出的幼 虫,如果这些幼虫只吃23天蜂王浆，则经21天发育成为无生育能力的工蜂；如果这些幼虫吃5天蜂王浆，则经16天发育成为有生 育能力的蜂王。工蜂和蜂王都

21、是由受精卵 （2n）发育而成的，它们的染色体均为2n,仅仅是幼虫期营养条件的不同 ，使得一类无生 育能力，而另一类有生育能力。寄生蜂的性 别也属于单倍-二倍型，未受精卵（n）发育成 雄蜂;受精卵（2n）发育成雌蜂，其性别还受B 染色体（又称 Paterna2Se）2Ratio, PSR 的控 制。B染色体是正常染色体外的超数小染色 体,带有B染色体的雄性个体产生的精子与 卵子结合成的合子在进行第一次有丝分裂 时,B染色体能使父本染色体超固缩并破坏，仅剩下母本染色体，使个体的染色体由2n变 为n ,最终发育成单倍体的雄性15。有些微生物如立克次氏体 Wolbachia也可以产生与 B染色体同样的

22、作用，使后代发育成雄 性16。近年来对B染色体的研究取得了很 大的进展，但是B染色体引起的性别逆转的 机理仍不清楚。2性别控制及应用性别控制是通过一定手段人为地使昆虫 仅产生雌性或雄性后代的一项技术。多年来 人们对昆虫的性别控制进行了大量研究，取得很大的进展。利用传统的方法如生存条件 的改变或激素诱导等对昆虫性别进行控制，仅能在一定程度上改变雌雄性别比例，但仍达不到对性别的完全控制。随着基因工程技 术的发展，人们已经探索出了能够完全控制 昆虫性别的多种遗传方法 。2. 1性连锁平衡致死系平衡致死系是两个不等位的致死突变基 因存在于对应的同源染色体上，这样后代中的杂合子都可以生存下来，并具有正常

23、生命 力,而两种纯合子，则在发育途中死亡。 StrunnikoV17借助电离辐射使家蚕2号常染色体上一个片段+ w2 （为黑卵显性基因）易位于W染色体上，获得限性品系。雌卵黑 色，雄卵为白色，利用这一性别标记就可以很 容易将雌雄卵分开。再用辐射处理限性品系 使Z染色体上的+ 11基因易位到W染色体上获得易位系。同样用辐射处理限性品系蚕 卵使之发生致死突变，从中选育出两个不等 位的Z连锁的致死（l1,l2）品系，先后与易位 系交配，选育出平衡致死系（图2）。因为在易位至W染色体上的Z染色体片段上有l1的正常显性等位基因+ l1。在平衡致死系的自交的后代中，雌雄各有一半致死，一半存活，从而使这一品

24、系得以维持 。 当平衡致死系雄与其它品系的雌杂交时 ，雌& 994-2010 China Academk Jouriial t-ieorMiic Fuhlishing House, All liglits reserved牛宝龙等：昆虫的性别决定与性别控制333 994-2( 厂hina Academk Jounwl EleciriHiic EuHishinc I Lou 粘 All ridus. resetEutp：/w, criki.nel牛宝龙等：昆虫的性别决定与性别控制#体全部死亡而雄体全部存活（图3）。11与12之间的遗传距离很小，在两基因之间几乎不发生交换，在本系中近乎完全等位。利

25、用11 与12就可实现平衡致死的效果。性连锁平衡致死技术可应用于农业害虫 的防治，该方法不仅具有一般方法（如雄性不 育）的优点（不污染环境，不引起害虫的抗 性），而且成本低，有后续效应，且不需要重复 处理、选育、筛选等复杂的操作。因为性连锁 平衡致死系与常规品系杂交后，F1代的雌胚子在卵期就已死亡，无需饲养大量的雌虫，甚 至雄虫从孵化开始就可以直接释放进自然环 境。由于杂种优势的关系，雄蛾的飞翔能力 与交配竞争能力强，抑制次代虫口的效果大, 释放雄蛾的数量不必象辐射诱变的雄性不育 那样多。释放的性连锁平衡致死雄蛾与野生 雌蛾杂交，F1代雌体全部死亡，而雄虫虽不死亡，但由于其带有一个致死基因，可

26、以使F2代的雌体又有 50%的死亡，依此类推，从 而有可能达到降低害虫种群的目的。ZAfflHUWQJ Z早W Z * X Z Z A图2性连锁平衡致死系的选育过程（参考Strun2nikov VA17)Fig. 2 Scheme for construction of se)2linked balanced lethal line (Strunnikov VA 17)w Z早X自交厨代图3 家蚕性别连锁平衡致死系的性别控制模式(参考 Strunnikov VA 17)Fig. 3 Sex control of sexlinked balanced lethal lines in silkwo

27、rm (Strunnikov VA17 ). 994-2( 厂hina Academk Jounwl EleciriHiic EuHishinc I Lou 粘 All ridus. resetEutp：/w, criki.nel牛宝龙等：昆虫的性别决定与性别控制3372. 2武装打靶技术性连锁平衡致死系虽然可以达到完全控 制昆虫性别的目的，但利用辐射诱变选育性 连锁平衡致死系是非常费时的，且辐射诱变往往会危及害虫的生命力，并存在一定的盲目性，而利用转基因的方法向昆虫体内转入 性别特异性的致死基因则可以快速准确地培 育出控制昆虫性别的品系。ThomaS8】利用四环素诱导表达系统建立了两种将显性

28、致死 基因转入果蝇体内表达的体系，达到了控制性别的目的（图4）。第一种方法是利用性别特异性启动子控 制四环素依赖性转录因子的表达，用四环素依赖性转录因子应答元件调控毒蛋白的表 达：即用果蝇卵黄蛋白启动子YPe调控四环素依赖性转录因子tTa的表达（YPetTa）,用四环素依赖性转录因子应答元件tRe调控细胞毒蛋白 Ras64H12 的表达（tRe2Ras64B12）。 在没有四环素存在时，雌体内的性别特异性的启动子 YPe启动tTa表达,tTa的表达产物图4性别特异性启动子（A）或性别特异性致死基因(B)经四环素调控系统对性别的控制(参考ThomaS 18 Fig. 4 Sex control

29、of sex specific promoter (A) or sex specific lethal by regulation of tetracycline2regulated system (Thoma? 18 TTA作用于tRe，从而启动 Ras64B12的表达， 使雌体致死；而在雄体内 YPe没有活性，tTa 不能表达，因而Ra64Bf12也不表达，雄体存 活。在有四环素时，虽然雌体内的 YPe启动 了 tTa的表达，但由于四环素对 TTA的抑制 作用，TTA不能激活tRe，因而Ras64B12不能 表达，雌体就能存活。第二种方法是用非性别特异性的启动子 调控四环素依赖性转录因子的

30、表达，用四环素依赖性转录因子应答元件调控性别特异性 的致死基因的表达：即用热激蛋白 Hsp26的 启动子调控tTa的表达（Hsp26tTa），用 tRe调 控ms22NPV、ms22的突变体的表达 。msl22 是果蝇剂量补偿的调控因子，在雄体内启动剂量补偿作用：即上调位于 X染色体上的基 因表达水平。而msl22在雌体内不表达，从而保证雌雄个体内X染色体上基因的表达水平平衡。ms22NOPV能在雌雄体内都表达，上调雌体内X染色体上基因表达就使雌体 致死。在有四环素存在时，雌体内的ms22NOPV表达使雌体致死；在没有四环素存在 时，ms22NP能表达，雌体就能存活。只要 通过在饲料中四环素的

31、添加与否，即可实现雌体的存活与死亡，从而达到性别控制的目 的。利用转基因方法培育的雌性致死品系同样具有性连锁平衡致死系的不污染环境、便于饲养及有后续效应等优点，还具有容易选育、不易危害昆虫的生命力，且饲养时根本无 须鉴别雌雄等优点。因为性连锁平衡致死系 的自交后代中雌体仍有50%存活，而四环素调控系统品系在没有四环素存在时，雌体100%死亡，其自交后代无需饲养 ，可以以卵 的形式直接释放，释放的雌体由于在自然环 境中没有四环素的保护，全部死亡而雄体全部存活。2. 3 B染色体及杀雄微生物B染色体是正常染色体（A染色体）外的超数小染色体，存在于蚱蜢及一些双翅目昆 虫中。B染色体与任何A染色体都不

32、同源，在减数分裂时不与任何A染色体配对,而且B染色体之间也不配对，而呈现不分离现象。 两个B染色体彼此紧密粘在一起移向同一 极，具有B染色体卵子优先受精，从而导致后代及种群中的B染色体数目增加。B染色 体又能使合子中的父本染色体超固缩并破 坏，仅剩下母本染色体，使个体发生性别逆转，从而使后代及种群中的性别比例发生变 化，雄体数目大于雌体，这样人们可以利用B染色体对昆虫性别进行控制15，16。有很多微生物既可以感染昆虫又可以通 过雌性昆虫垂直传染给后代，这些微生物有 的与宿主呈共生关系，即从宿主体内获取营 养，又参与宿主的生命活动，杀死这类微生物 就会危及宿主的生命；有的与宿主是寄生关 系，并不

33、参与宿主的生命活动，这种寄生微生 物可以分为两类：第一类主要水平传播，如立 克次氏体 Rickettsia prwazekit。第二类很少水 平传播，主要垂直传播并控制宿主的繁殖，使 宿主后代的性别比例发生变化，雄少雌多，这 类微生物被称为雄性杀手，能杀死宿主的雄 性胚胎，这类微生物主要有螺旋体Spiroplas2ma、黄细菌和原细菌的a、亚类，它们可感染多种昆虫16,19。对雄性杀手微生物杀死宿主雄性胚胎的 机理了解很少，致死一般发生在两个时 期20 :(1)原肠前期，破坏非染色质纺锤体，导致有丝分裂异常而致死，大多致死发生在 这一时期。(2)原肠后期，破坏胚胎内部结 构，造成核固缩。在果蝇

34、中，雌体为2X ：2A，SXL诱导体细 胞及生殖细胞分化，通过对雌体tra突变体 的研究发现，雄性杀手与体细胞的性别分化 无关,说明其毒性作用与剂量补偿或生殖细 胞分化过程有关。通过对螺旋体 S. poulsonii 的研究发现，同类微生物可以感染雄异型(XY)、雌异型(ZW)等多种不同性别决定的 宿主，S. poulsonii并可作用宿主的体细胞性 别决定过程21。同样Wolbachia微生物即能 在雌异型(ZW)宿主中存活，又能在雄异型(XY)宿主中存活，而这两类宿主的剂量补偿 机制完全相反，这表明X A比例及剂量补偿 并不是雄性杀手的作用途径19。综上分析生殖细胞分化可能是雄性杀手的作用

35、途径 这一点仍有待研究。展望随着分子生物学的发展，人们对成千上万种昆虫的研究已经从形态、细胞水平进入分子水平，对昆虫的生长发育、生殖等机理的 研究也有了很大的发展。这也促进了人们对 果蝇性别决定机理的进一步研究，以果蝇的性别决定机理为模式，将带动其他昆虫如家 蚕、棉铃虫等一些与人们生活及经济发展有 密切关系昆虫性别决定的研究，以深入揭示丰富多彩的昆虫世界的遗传及进化规律；随着人们环境意识的日益增强，化学杀虫剂对环境的危害逐渐被人们认识，生物防治将成 为防治害虫的重要手段而越来越受到人们的 重视,探索有效的生物防治措施将是今后研 究的重点，研究和选育无污染、易控制的性别 控制品系具有巨大的应用前

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