《发育生物学》课件第十二章 性别决定

1、第十二章 性别决定Sex determination性别表现型的决定公元前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。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。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。多细胞生物性别决定的复杂性多细胞的性别决定是

2、一个复杂的问题。就表型而言，存在两性异体、同体，以及个体性别转化等不同的类型，并由此带来了副性征及生殖方式的多样性。分子生物学的研究表明，性别的决定（表达）受到遗传和环境双重因素的影响，而不同生物性别决定的方式可能很不一样。一、哺乳动物的性别决定由于多细胞生物个体性别表达类型的多样性，个体的性别决定一定要与具体的动物种类联系在一起。动物个体发育中的性别决定有两种代表的模式：通过遗传物质的分配来决定其性别，以及在同样的遗传背景下通过环境的干预来决定其性别类型。哺乳动物执行的是典型的通过遗传物质分配实现其后代性别决定的模式。性别决定的机制性别决定的关键基因是位于X染色体上的DAX1基因和位于Y染色

3、体上的SRY基因。由于在XX染色体组型的个体中只有DAX1基因表达，个体无选择的发育为雌性个体，而在XY染色体组型的个体中，由于SRY基因对于DAX1基因的强竞争作用，个体将发育为雌性个体。DAX1基因或SRY基因产物在其他辅助因子的协同作用下分别诱导生殖原基向卵巢或精巢的发育，实现初级性别决定；然后，两种不同的性腺再进一步通过产生激素的方式诱导各自的次级性别特征发生。哺乳动物的性别决定的级联表达高等动物的性别决定包括两个方面：一为性腺的决定和发育，二为附属性器官、特征及性行为的建立。在脊椎动物中，性腺的发育占有优先和主导的地位，而性附属器官、性特征及性行为的建立主要是来自性腺产生的激素的诱导

4、作用。脊椎动物的性腺的发育称为初级性别决定（primary sex determination），性附属器官、性特征及性行为的建立为次级性别决定（secondary sex determination)。1.初级性别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综合征患者的表型为male，但不具生殖力；基因型为XO的Turner综合征患者为不能产卵的female。性腺的形态学变化哺乳动物性腺发育是一种独特的胚胎学情况，它首先经历一个不表现

5、任何性别特征的未分化时期（indefferent stage），然后再进入性别分化的发育程序。人性腺原基在妊娠4周出现，直到7周以前一直处于未分化状态。人性腺的分化A. 4周胚胎的生殖嵴；B.6周胚胎的尚无性别差异的生殖嵴，可见其中原始生殖索开始发育；C.第8周睾丸发育，生殖索与皮层的联系减弱，发育成网状结构；D.到第16周，睾丸索与中肾管相连；E.第8周卵巢发育，原始生殖索退化；F.到第20周，卵巢不与中肾管相连，初始卵泡形成。在人类，睾丸决定因子（testes-determining factor，TDF）基因位于Y染色体的短臂上，通过分析XX的男性和XY的女性的DNA ，这个睾丸决定基因

6、的位置已进一步确定，即SRY（sex-determining region of the Y）基因，它是一种编码223 aa的转录因子，含有HMG DNA结合区。睾丸发生的基因决定SRY蛋白与DNA的结合能引起DNA弯曲7080度。图中黑色表示SRY蛋白的部分结构，红色表示与SRY蛋白特异结合的DNA，SRY蛋白睾丸决定基因为Y染色体上的SRY(sex-determining region of the Y chromosome)Sry对睾丸发育的影响的实验证据小鼠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

7、生正常的精子。A. PCR反应后，电泳示正常XY雄小鼠（1）和转基因XX Sry小鼠（3）都有Sry基因，而同窝出生的XX雌性小鼠（2）则没有。B.转基因XX小鼠（右）的外生殖器是雄性，与XY雄性小鼠（左）非常像。研究表明，仅有SRY基因，它对于睾丸的形成条件并不充分，已发现在SRY基因存在的情况下，不同的其他遗传背景仍可以出现睾丸的不育现象，那么它应该是通过激活或抑制生殖嵴中若干基因的方式来具体指导睾丸的发育。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。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

8、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在睾丸支持细胞中通过协助Sox9而增强AMH基因的表达;而在睾丸的间质细胞中，它可激活睾酮合成酶基因。Sox-9和Sf-1协同作用激活Amh的表达A.Sox9结合在Amh基因的启动子，起始Amh基因在Sertoli细胞中的表达；B.Sf-1和Wt-1结合后使AMH表达上调，Sf-1结合在DNA结合位点，而Wt-1结合在Sf-1蛋白上；C.Gata的结合进一步上调Amh的表达。卵巢发生的基因决定当人类X染色

9、体短臂某部分突然加倍后，XY型的个体将发育为女性，表明可能卵巢发育的决定基因存在于X染色体的这一部分，这一基因已确认为是DAX1基因。与卵巢命运决定有关的X染色体基因位于X染色体上的DAX1和位于Y染色体上的SRY产生睾丸；DAx1没有SRY（由于另一DAX1位于失活的X染色体上）产生卵巢；两个活性拷贝的DAX1（位于活性X染色体上）与SRY( 位于Y染色体上）导致性腺形成障碍（由于没有AMH和睾酮，形成雌性表型。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

10、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。哺乳动物初级性别决定机制 SRY和DAX1蛋白竞争性的激活或抑制SF1基因，单一的X和Y染色体出现时SRY将占优势，SF1激活，若DAX1在X染色体上有两个拷贝，或没有Y染色体，SF1将不被激活。SF1蛋白激活SOX9基因，后者指导性索发育为睾丸的Sertoli细胞，同时抑制WNT4的表达，WNT4将使性腺向卵巢方向分化，大多被WNT4和SOX9激活的基因还没有确定，机制也不清楚。次级性别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。次级性别决定涉及性腺之外的身体表现型，雄性动物具有阴茎、精囊、前列

11、腺等，雌性动物具有阴道、子宫颈、子宫、输卵管等。在出现睾丸的胚胎中，Mullerian 管退化，而Wolffian 管分化为输精管、附睾、精囊。在出现卵巢的胚胎中， Wolffian管退化， Mullerian管分化为输卵管、子宫等。 2. 次级性别决定哺乳动物性腺管道的发育 在未分化性 腺 中， Mullerian管和Wolffian管二者都存在，随后在各自生殖腺的作用下出现了不同性别的分化。胎鼠中AMH的活性在试验开始时，Mullerian管（左侧箭头）和Wolffian管（右侧箭头）都开口；和分泌AMH的组织培养3天后， Wolffian管开口而Mullerian管退化闭合。抗Mulle

12、rian管激素(anti-Mullerian duct hormone, AMH)：由睾丸支持细胞分泌的560aa糖蛋白，其作用可能是诱导Mullerian管周围的间质细胞分泌一种促凋亡因子，使Mullerian管退化。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.睾酮(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。一个患雄激素不敏感综合征的XY型个体：尽管核型是XY而且有睾丸，个体仍然发育出雌性的第二性征，他缺少缪

13、勒氏管衍生物并且在发育中睾丸也不下降。在雌性胚胎中，雌激素由卵巢合成，它诱导Mullerian duct分化为雌性器官。在雄性胚胎中，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。雌激素(estrogen) 同性恋者的生物学基础裂缝核INAH4和INAH3是两组下丘脑神经元，INAH4在体积上没有性别二态性，INAH3在聚类分析上有显著的差异，虽然在范围上相似，从男性同性恋死者大脑INAH3倾向于雌性分布。这表明性倾向有生物学基础，但这些数据仅表明相关性，而非因果关系。到哺乳动物的青春期，雌、雄激素再次诱导第二性征的进一步发育，在一阶段，中枢神经系统明显的介

14、入次级性别决定的发育过程。二、果蝇的性别决定哺乳动物和果蝇都用性别决定的xx/xy系统，但机制完全不同。果蝇的性别（包括性腺的发育）是由x染色体与常染色体的数量比来决定的，y染色体并没有性别决定的作用。果蝇的性腺不产生激素，副性征的发育是由身体的相关部位根据自己的基因组型作出“性别决定”的。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，1.0时，个体发育为雌性，二者之间为中性。X染色体和常染色体数量比即两套基因组数量比。果蝇的性别决定在果蝇中，由于体

15、细胞染色体变异常会造成雌雄嵌合体出现A图示：雄性一侧失去了携带眼颜色和翅形状野生型等位基因的一条X染色体，所以在剩余染色体上隐性等位基因红眼和小翅得以表达。突变分析表明，sex-lethal（Sxl）、transformor（tra）、transformer-2（tra-2）基因的突变可使XX个体变为雄性，但这种突变对XY雄性个体无作用。Intersex（ix）基因的突变可使XX果蝇变为间性。Doublesex（dsx）基因在两种性别的分化过程中都起重要作用，dsx缺失可使XX和XY个体都发育为间性。X:A比例信号是通过Sxl基因起作用的。果蝇体细胞性别决定级联调控通路模式雌雄两性中Sxl基因

16、的不同激活方式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。 Tra前体mRNA与Sxl蛋白结合的立体示意图在果蝇三个主要的性别决定基因中性别特异的RNA拼接模式前-mRNA位于图的中央，而且在雄性和雌性中是完全相同的。雌性特异的转录本如图左侧，而欠缺的转录本（或雄性的或非特异性的）如图右侧。外显子用数字表示，终止密码和poly(A)的位置已标出。三、线虫的性别决定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 let

17、hal)目前认为sdc-1基因的表达与个体X/A比率有关， 如果X/A比率是1，由于sdc-1基因的高表达而抑制her-1的表达，进而控制着X染色体的级联基因的表达，获得了两性个体发育所需的剂量补偿组合，图中高、低反映个基因的活性。由于sdc基因最终导致tra-1基因激活，启动了两性同体表型的发育程序；反之xol基因只在雄性个体中表达，使sdc基因表达受到抑制，最终引导雄性个体发育。线虫性别决定因子的作用机制在XX个体中，高数量的膜蛋白TRA-2与FEM蛋白结合，使细胞质中没有游离的FEM蛋白，导致TRA-1蛋白进入核内，激活两性同体发育所需的基因。在XO个体中，高数量的HER-1蛋白与低数量的膜蛋白TRA-2结合，使膜蛋白TRA-2释放FEM蛋白，FEM蛋白与TRA-1蛋白结合，导致细胞质中没有游离的TRA-1蛋白，也就不能进入核内激活雌雄同体发育所需的基因，个体发育为雄性。四、环境因素对性别发育的影响大多数龟类和所有鳄鱼的性别是由受精后的环境决定的，在发育一定时期卵的温度是性别决定的决定因子，温度的微小变化能