生物性別決定的復(fù)雜性

朱蔚云，謝天熾，李佩瓊，申本昌

（廣州醫(yī)科大學(xué)生物科學(xué)系，廣州510182）

生物性別決定的復(fù)雜性

朱蔚云，謝天熾，李佩瓊，申本昌

（廣州醫(yī)科大學(xué)生物科學(xué)系，廣州510182）

動物和植物的性別決定方式復(fù)雜多樣，細菌的性別決定則比較簡單。人類的性別決定方式為XX-XY型性別決定方式，Y染色體在人類男性的性別決定和發(fā)育中起決定作用，Y染色體上的基因啟動了和性別決定有關(guān)基因的差異表達，進而啟動了個體的性別發(fā)育過程。果蠅的性別決定最終取決于X染色體的數(shù)目和常染色體套數(shù)的比值（X/A）。高等植物多為雌雄同株，無明顯的性染色體決定性別機制。細菌的性別由細菌是否含有致育因子即F因子而決定，含有F因子的菌株相當于雄性，不含F(xiàn)因子的菌株相當于雌性?？傮w來說，遺傳組成是生物性別決定的物質(zhì)基礎(chǔ)，但環(huán)境因素對性別決定也有影響。主要闡述了生物界主要的性別決定方式及環(huán)境因素對性別決定的影響，綜述了人類和果蠅性別決定的分子基礎(chǔ)的研究進展。

性別決定；性染色體；遺傳方式；環(huán)境因素

生物的性別是生物通過長期進化獲得的最重要的表現(xiàn)型，按照性別，許多物種可以劃分成兩個或兩個以上的種類，即雌、雄兩性，雌、雄兩性是一對相對性狀，是一個可塑的生物發(fā)育過程［1］。性別的種類依據(jù)個體在其生命周期某段時間中能夠執(zhí)行的生殖功能來決定。性別的重要性在于它提供大量遺傳多樣性的機制，而遺傳多樣性是大多數(shù)自然種群所具有的特點。一般說來，生物的性別是由受精卵的遺傳物質(zhì)決定的，但也受環(huán)境中多種因素的影響［2］，生物的性別決定方式是復(fù)雜的。

1 動物的性別決定

生物界中性別形成的方式有許多種，動物的性別決定包括初級性別決定和次級性別決定，其中初級性別決定關(guān)系到性腺的發(fā)育方向，一般是由基因型決定的，通常不受環(huán)境的影響。哺乳動物睪丸發(fā)育的決定依賴于Y染色體的存在。次級性別決定性腺外的身體表型及第二性征發(fā)育，通常由性腺分泌的激素控制及生殖細胞所處的內(nèi)環(huán)境決定的［3-4］。多數(shù)生物體細胞的同源染色體形狀往往不同，這對染色體跟性別決定直接有關(guān)，稱為性染色體。不同的生物，性別決定的方式也不同。

1.1人類染色體與性別決定——XX-XY型性別決定［5］

XX-XY型性別決定在生物界較為普遍，在動物中占絕大多數(shù)，全部哺乳動物、大部分爬行類、兩棲類以及雌雄異株的植物都屬于XX-XY型性別決定。人類體細胞中有46條染色體，其中22對常染色體，1對性染色體，X與Y染色體在形態(tài)上有明顯差別。在女性中有2條成對的X染色體，染色體組成為46，XX，女性是同配性別；而男性只有一條X染色體及一條很小的Y染色體，為異配性別，產(chǎn)生比例相等而基因型不同的兩種不同類型的精子。Y染色體對于人類雄性的性別決定至關(guān)重要。

哺乳動物的性別決定涉及多個基因的級聯(lián)調(diào)控過程，在一些物種中常染色體上的基因常常影響生物的次級性別決定［6］。在人的性別決定方面，X染色體和Y染色體所起作用是不等的，Y染色體是性別決定的關(guān)鍵因素，Y染色體的短臂上有一個“睪丸決定”基因，即sry（sex determ ining region of Y）編碼的睪丸決定因子TDF（testis determ ining factor），有決定胚胎朝“男性”方向發(fā)育的作用，即性腺發(fā)育為睪丸而不是卵巢。TDF是一種轉(zhuǎn)錄因子，在未分化的性腺中作用于它的靶基因，其基因產(chǎn)物與其他基因，如常染色體上的dax1，wt1，sf1和sox9的產(chǎn)物結(jié)合到一起成為一個DNA結(jié)合蛋白復(fù)合物，該復(fù)合物控制著參與睪丸發(fā)育和可育性的級聯(lián)基因激活過程中的一個或更多其他基因的表達。睪丸開始發(fā)育后，位于常染色體上的睪丸酮（testosterone）合成基因就被激活，睪丸酮是一種屬于甾類的雄性激素，決定男性第二性征如體型和體毛模式的形成。睪丸酮合成后進入血液循環(huán)系統(tǒng)，隨血流到達其作用的靶細胞，作為一種脂溶性分子，可以直接穿過細胞膜進入靶細胞的胞質(zhì)，在靶細胞的胞質(zhì)中與X染色體上的雄激素受體(androgen receptor,AR)結(jié)合，這種處于結(jié)合狀態(tài)的激素-受體復(fù)合物進入細胞核，作為轉(zhuǎn)錄因子作用于雄性特異的基因，然后影響第二性征的發(fā)育［3］。在人類性器官分化的過程中，原始性腺具有雙向發(fā)育的趨勢，男性性腺分化較早，胚胎在受精后第7周形成睪丸，第8周產(chǎn)生睪丸酮；女性性腺分化較遲，受精后第13周才出現(xiàn)卵巢分化。性器官的分化取決于睪丸酮的水平，如果位于常染色體上的睪丸酮合成基因發(fā)生突變，導(dǎo)致缺乏適量的睪丸酮，性器官就向女性方向分化發(fā)育，睪丸酮是形成男性或女性的決定性因素。

性別決定是sry引發(fā)的多基因參與的復(fù)雜過程，但Y染色體對性別決定起主導(dǎo)作用，不論X染色體有幾條，只要存在一條Y染色體就發(fā)育為男性，AR蛋白對男性性別決定是至關(guān)重要的，如果AR缺失或失活，睪丸酮無法發(fā)揮作用，個體也就不會發(fā)育為男性性狀。而僅有X染色體的個體，如核型為45，XO的個體發(fā)育成女性。如果Y染色體上的sry、常染色體睪丸酮合成基因或X染色體上的雄激素受體發(fā)生突變，就會出現(xiàn)46，XX的男性和46，XY的女性等性別異?，F(xiàn)象。

1.2 ZZ-ZW型［7］

ZW型性別決定剛好與XY型相反，雌性個體的性染色體組成為ZW，雄性個體的性染色體組成為ZZ。例如家蠶的體細胞染色體數(shù)是56條，雄蠶的性染色體組成是ZZ,只能產(chǎn)生一種精子，即28,Z；而雌蠶的性染色體組成為ZW,可產(chǎn)生2種卵子：一種是28,Z；另一種28,W，兩種卵的比例相等。雌性是異配性別，雄性是同配性別，后代的性別取決于受精的卵細胞攜帶Z染色體或W染色體［8］。

這種類型性別決定方式多見于鱗翅目昆蟲、某些兩棲類、爬行類及鳥類等。鳥類為遺傳性別決定，從物種和染色體進化上看比較特殊，其性染色體是由常染色體進化而來的，既有低等動物性染色體的特征又有高等哺乳動物性染色體的特征。鳥類Z染色體上攜帶有睪丸發(fā)育的關(guān)鍵基因dmrt1，而W染色體幾乎不含有意義的基因［9-10］。

1.3 XX-XO型［5］

雌性的性染色體成對，為XX，雄性只有一條單一的X染色體，為XO型。如雌性蝗蟲為24，XX；雄性蝗蟲為23，XO。減數(shù)分裂時，雌蟲只產(chǎn)生一種含X染色體的卵子；雄蟲可產(chǎn)生有X和無X染色體的2類精子，其性別比例為1∶1。直翅目昆蟲（如蝗蟲、蟋蟀和蟑螂等）和植物中的花椒屬于這種性別決定類型。

1.4 ZO型［11］

少數(shù)的鱗翅目昆蟲屬于這種性別決定類型。這類性別決定方式的個體，雄性性染色體為ZZ，雄性產(chǎn)生單一類型配子，雌性性染色體為ZO，產(chǎn)生2種配子，群體的性別比為1∶1。

有些物種,如模式生物果蠅的雌性決定基因位于X染色體上，雄性決定基因位于各個常染色體上［12-13］，其性別決定最終取決于X染色體的數(shù)目和常染色體套數(shù)的比值（X/A），而與Y染色體存在與否無關(guān)，Y染色體只是與精子的發(fā)生有關(guān)，也就是只要具有Y染色體的雄性果蠅才能產(chǎn)生有活性的精子，XO型雄性在果蠅中常有發(fā)生，但這種雄蠅通常是不育的。果蠅的性別決定是由于X/A比值不同，這種不同引起多個基因轉(zhuǎn)錄后水平選擇性剪接，其分子機制見圖1。X/A比值高（≥1）時，雌性化基因sxl（sex lethal）在胚胎細胞中進行轉(zhuǎn)錄，稍后，PE啟動子驅(qū)動sxl在所有胚胎中表達，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)過剪接后，成熟的RNA被翻譯為有活性的雌性化基因產(chǎn)物sxl胚胎進入雌性決定；而在X/A比值低（≤0.5）的胚胎細胞中,雌性化基因sxl在晚期啟動子（PL）作用下,改變了sxl的轉(zhuǎn)錄方式，進而產(chǎn)生一種包含sxl外顯子3遺傳信息的雄性特有的sxl mRNA，這種mRNA由于在外顯子3中含有一個終止密碼子，無法產(chǎn)生有活性的蛋白產(chǎn)物，胚胎進入雄性決定。SXL蛋白是一種RNA結(jié)合蛋白，它能夠影響其他基因的轉(zhuǎn)錄，SXL蛋白引發(fā)雌性細胞的tra表達，tra產(chǎn)物與其他基因產(chǎn)物結(jié)合為雌性特有的基因產(chǎn)物DSX-F；在雄性胚胎中，由于缺乏具有活性的SXL蛋白，tra被轉(zhuǎn)錄為不同于雌性胚胎的另一種沒有編碼功能的mRNA,雄性胚胎由此產(chǎn)生雄性特有的DSX-M。雌性胚胎的DSX-F蛋白質(zhì)作為轉(zhuǎn)錄因子抑制雄性基因的表達，使胚胎在發(fā)育過程中產(chǎn)生卵黃蛋白質(zhì)和卵殼蛋白質(zhì)等雌性特有的結(jié)構(gòu)成分；而雄性胚胎特有的DSX-M蛋白質(zhì)因子則抑制雌性基因的表達，而促進雄性基因的表達，使胚胎發(fā)育出第一對附肢、第一附節(jié)上的性梳等雄性特有的解剖結(jié)構(gòu)。因此，果蠅的性別決定和性別特征的建立是基于X/A比值的一系列差異化mRNA剪接及基因級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果［5］。

2 植物的性別決定［5,7］

高等植物多為雌雄同株，無明顯的性染色體決定性別機制。但在少數(shù)雌雄異株的植物中，也有與動物相類似的性染色體性別決定機制。大部分雌雄異株植物都屬于異配性別，XX性染色體組成的植株為雌株，XY植株為雄株。如石竹科的女婁菜、大麻、銀白楊和菠菜等，其性別取決于Y染色體存在與否。

在植物界，雌株和雄株的差異多表現(xiàn)在花器上，有些低等生物雌、雄性僅表現(xiàn)在生理差異上，而在外形上卻完全相同。雌雄異株的植物，如菠菜，有時會出現(xiàn)雌雄同株的個體，性別分化也是植物進化過程中自然發(fā)生的［14］。玉米是典型的雌雄異花植物，單性花的形成經(jīng)歷復(fù)雜的性別決定，能把雌雄同株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦昊蛐壑辏?5］。例如，基因ba在純合時，植株沒有雌花序，為雄株；基因ts在純合時，使垂花成為雌花序，不產(chǎn)生花粉。因而babatsts的植株是雌株，它沒有果穗，但在垂花上產(chǎn)生卵細胞，而babaTsTs植株是雄性。若適當改變玉米的基因型，讓雌株babatsts與雄株babaTsts交配，后代植株中雌雄比例是1∶1。這樣就在玉米中建立一個新的性別決定系統(tǒng)。玉米的性別由Tsts的分離與否決定。ts所在的染色體就成為“性染色體”，雄株可以產(chǎn)生Ts和ts兩種配子，雄株是異配性別。

圖1 X/A決定果蠅性別的分子機制Fig 1 Themolecularmechanism of sex determination of drosophilaby the ratio of X/A

3 細菌的性別決定［16］

細菌通過細胞分裂的方式進行增殖，但有些種類的細菌也有性別，研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌中含有一種微小的致育質(zhì)粒，即F質(zhì)粒，F(xiàn)因子含有致育基因，能編碼性菌毛，F(xiàn)因子具有賦予中性細菌呈現(xiàn)性別的性質(zhì)，具有感染性，F(xiàn)因子的基因編碼生成F菌毛的蛋白質(zhì)，即接合管，具有F因子的細菌為雄性細菌，無F因子的細菌為雌性細菌。細菌通過性菌毛互相連接，并以現(xiàn)在尚不明確的方式將遺傳物質(zhì)從一個含F(xiàn)因子的雄性細菌（供體）水平傳遞給不含F(xiàn)因子的雌性細菌（受體），并由此導(dǎo)致細菌遺傳物質(zhì)的重組。

4 環(huán)境決定性別的發(fā)育方向［7］

有些動物的性別，靠其生活史發(fā)育的早期階段的溫度、光照或營養(yǎng)狀況等環(huán)境條件來決定。在一些低等的動物體內(nèi)，如兩棲類、爬行類等，性別的決定除與性染色體組成有關(guān)外，還與環(huán)境的變化有一定的關(guān)系［17］。

大部分蛇類和蜥蜴類的性別是在受精時由性染色體決定的，但有一些龜鱉類和所有的鱷魚，其性別是由受精后的環(huán)境因素決定的。這些爬行類在某個發(fā)育時期受精卵所處的溫度成為性別決定因素。溫度略改變，就會使其性比發(fā)生急劇變化。當卵在22～27℃孵化時，只產(chǎn)生一種性別；在30℃以上的溫度中孵化時，則產(chǎn)生另一種性別。只在很小的溫度變化范圍內(nèi)同一批卵才會孵化出雌性和雄性兩種個體。例如，有一些龜?shù)穆言诘陀?8℃溫度下孵化時，孵出的所有小龜都是雄性；如果孵化溫度高于32℃，則孵出的都是雌性；在介于28℃與32℃之間孵化時，則同時孵出雌性和雄性個體。蝌蚪、揚子鱷和密西西比鱷的性別決定也與龜?shù)男詣e決定相似，受溫度影響很大。溫度改變性別的表現(xiàn)型，但不改變其基因型。

海生蠕蟲性別由機遇決定。如蠕蟲后縊的雌蟲體積大，雄蟲很小且生活在雌蟲子宮內(nèi)。后縊在幼蟲期不分性別，成熟前有一段時間的變態(tài)發(fā)育。自由游泳的幼蟲是中性，如果落在海底就成為雌蟲；若由于偶然的原因，或可能由于一種吸引力，幼蟲落在雌蟲長長的口吻上，就會進入雌蟲的口中，并游向子宮，發(fā)育成一個與雌蟲共生的雄蟲。如果移去已經(jīng)落在雌蟲口吻上的幼蟲，讓它在離開雌蟲的條件下繼續(xù)發(fā)育，則會發(fā)育成間性。間性偏向雌性或雄性的程度取決于幼蟲以前停留在雌蟲口吻上的時間。這表明雌蟲口吻組織里有導(dǎo)致幼蟲雄性化的類似激素的化學(xué)物質(zhì)。螠蟲的性別分化并不是受精時由遺傳成分來決定的，而直接由環(huán)境因素所控制。

生物的性別決定也受營養(yǎng)的影響。黃瓜發(fā)育的早期，在施肥的過程中加入氮肥或者通入CO2，可使雌花數(shù)量增多［18］。多數(shù)線蟲是靠營養(yǎng)條件的好壞來決定性別的，它們一般在性別未分化的幼齡期侵入寄主體內(nèi)，若營養(yǎng)條件差，就會失去1條X染色體，變?yōu)樾坌匀旧w組成，發(fā)育為雄性成體［19］。若營養(yǎng)條件好，則保留2條X染色體，發(fā)育為雌性成體。從表面上看，這種線蟲的性別是由營養(yǎng)條件決定的，但從染色體水平看，實為性指數(shù)決定性別。蜂類的性別不僅與染色體數(shù)目有關(guān)，也與環(huán)境有關(guān)［20］，營養(yǎng)差異決定雌蜂是發(fā)育成可育的蜂王還是不育的工蜂。

日照長短影響性別的分化，太陽光的不同顏色會對植物產(chǎn)生不同的影響，會影響植物的性別。藍光、短日照能促進短日照植物多開雌花，使長日照植物多開雄花；而紅光、長日照能促進短日照植物多開雄花，使長日照植物多開雌花。例如，縮短光照，黃瓜多開雌花。中國特有種揚子鱷靠光照強弱來實現(xiàn)性別決定。巢穴建于潮濕陰暗的弱光處可孵化出較多雌鱷，巢穴建于陽光曝曬處，則可孵出較多的雄鱷。

化學(xué)物質(zhì)也影響性別決定。分析研究表明，生長素和萘乙酸增加黃瓜的雌花，減少雄花；赤霉素、三碘苯甲酸卻抑制雌花的出現(xiàn)，誘導(dǎo)雄花形成；一氧化碳處理黃瓜幼苗可使雄花數(shù)大大下降，提高雌花數(shù)。

總體說來，動物和植物的性別決定方式是多種多樣的，細菌的性別決定則比較簡單。遺傳組成是生物性別決定的基礎(chǔ)，環(huán)境因素對性別的決定也有很大的影響，環(huán)境因素導(dǎo)致生物向不同的性別發(fā)育，一般不影響生物的遺傳組成。生殖和生存是生物必須面對的二大挑戰(zhàn)，深入研究生物的性別發(fā)育，不僅具有重要的理論意義，也具有一定的應(yīng)用價值。目前，人們對生物的性別決定的分子機制還不完全清楚，有關(guān)研究尚有待于深入。

［1］邵長偉,陳松林.脊柱動物性別決定基因與性染色體演化機制［J］.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報,2012,20（12）：1463-1474.

［2］張 麗,杜衛(wèi)華,張愛玲,等.受精環(huán)境對哺乳動物性別形成的影響［J］.遺傳,2007,29(1)：17-21.

［3］魏燁昕.哺乳動物生殖細胞的性別決定［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012,40(14)：8083-8085,8110.

［4］張連君,張西鋒,陳 波,等.生殖細胞早期發(fā)生與減數(shù)分裂啟動調(diào)節(jié)機制的研究進展［J］.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,28(3)：181-187.

［5］戴灼華,王亞馥,栗翼玟主編.發(fā)育的遺傳分析［M］.遺傳學(xué)(第2版),北京:高等教育出版社,2008:375-399.

［6］Allegrucci C,Thurston A,Lucas E,et al.Epigenetics and the germ line［J］.Reproduction,2005,129(2)：137-149.

［7］劉祖洞喬守怡,吳燕華,等.性別決定與伴性遺傳［M］.遺傳學(xué)(第3版),北京:高等教育出版社,2013:116-118.

［8］劉增虎,李 濤,楊 海,等.家蠶性染色體和性別決定［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40（34）：16627-16631.

［9］楊秀榮,蔣和生,楊 寧.鳥類性別決定與性別分化機制［J］.遺傳,2012,34(4):29-33.

［10］Chue J,Sm ith C A.Sex determination and sexual differentiation in the avianmodel［J］.FEBSJ,2011,278(7)：1027-1034.

［11］李學(xué)寶,董妍玲.連鎖遺傳分析與染色體作圖［M］.遺傳學(xué)教程,北京:科學(xué)出版社,2011:52-97.

［12］Conrad T,Akhtar A.Dosage compensation in Drosophila melanogaster：epigenetic fine tuning of chromosome w ide transcription［J］.Nature Reviews Genetics,2012,13（2）：123-134.

［13］ Hallacli E,Lipp M,Georgiev P,et al.Msl1 mediated dimerization of the dosage complex is essential formale X-chromosome regulation in Drosophila［J］.Molecular Cell,2012, 48（4）：587-600.

［14］Chuck G.Molecular mechanisms of sex determ ination in monoecious and dioecious plants［J］.Advances in Botanical Research,2010,54：53-83.

［15］楊同文,李潮海.玉米性別決定的激素調(diào)控［J］.植物學(xué)報, 2012,47(1)：65-73.

［16］趙壽元,喬守怡,吳超群,等.細菌遺傳學(xué)［M］.遺傳學(xué)原理(第3版),北京:高等教育出版社,2011:397-413.

［17］劉 佳,李忻怡,張育輝.兩棲動物性別決定相關(guān)基因的研究進展［J］.動物學(xué)雜志,2011,46(6)：134-140.

［18］Guo S,Zheng Y,Joung JG,etal.Transcriptome sequencing and comparative analysis of cucumber flowers w ith different sex types［J］.BMCGenetics,2010,11：384-396.

［19］任 爽,王偉娜,趙娜娜,等.中華卵索線蟲的性別分化分子機理研究進展［J］.應(yīng)用昆蟲學(xué)報,2011,48(3)：716-719.

［20］李盛東,黃融生.蜜蜂繁育體系與我國蜜蜂種質(zhì)基因庫建設(shè)［J］.中國蜂業(yè),2010,61(9)：30-33.

Com p lexity of sex determ ination patterns in organism s

ZHUWei-yun,XIETian-chi,LIPei-qiong,SHEN Ben-chang
(Departmentof Biological Science,Guangzhou MedicalUniversity,Guangzhou 510182，China)

There aremany kinds of sex determ ination patterns in both animals and plants,but the sex determ ination for bacteria is rather simple.The sex development of the human individuals is determ ined by the chromosomal difference,chromosome Y initiates differential expressions of the sex-related genes and plays an important role in the sex determination.For drosophila,the ratio of X/A determines the sex development.Many kinds of the plants are hermaphroditesand do nothave specific sex determination patterns.The sex determ ination forbacteria followsa rather simpleway,the F facter bearing bacterium strains aremale bacteria,otherw ise,the bacterium strainsw ithout F factor are female ones.Generally,the genetic constitution,or the chromosome difference usually determ ines the sex developmental possibility of the organisms,but the environmental factors can control maleness or femaleness of organisms in some kindsof species.In this paper,the differentpatternsof varietiesof sex determinations,their possible molecularmechanismsand the influencing roleofenvironmental factorsare reviewed.

sex determination;sex chromosome;pattern of inheritance;environmental factors

Q311.1

A

2095－1736（2015）03－0084－04

10.3969/j.issn.2095-1736.2015.03.084

2014-08-29；

2014-09-09

2013年度廣州醫(yī)科大學(xué)實驗教學(xué)改革課題（南山班《醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)》實驗教學(xué)課程的改革）（編號：2013-E09）;

2013年度廣州醫(yī)科大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程《醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)》精品資源共享課教學(xué)改革項目（編號：0102-B149025）

朱蔚云，高級實驗師，碩士;

申本昌，教授，研究方向為遺傳病的分子診斷，E-mail：shenbc@gzhmc.edu.cn。