動物溫度依賴型性別決定中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

滑留帥，茹文秀，白獻(xiàn)曉，龔世平

（1.廣東省生物資源應(yīng)用研究所，廣東 廣州 510260；

2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所；

3.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院）

專論綜述

動物溫度依賴型性別決定中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

滑留帥1，2，茹文秀1，3，白獻(xiàn)曉2，龔世平1*

（1.廣東省生物資源應(yīng)用研究所，廣東 廣州 510260；

2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所；

3.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院）

性別決定是生物學(xué)的一個核心問題，其中動物的溫度依賴型性別決定（TSD）是一個復(fù)雜而有趣的生物學(xué)現(xiàn)象。激素和性別決定相關(guān)基因在動物TSD中的調(diào)控作用已經(jīng)有較為全面的研究，但是激素水平和性別決定相關(guān)基因如何響應(yīng)環(huán)境溫度的變化仍不明確。最近的表觀遺傳學(xué)研究表明，環(huán)境溫度通過表觀遺傳修飾的方式改變性別決定相關(guān)基因的表達(dá)變化，可能是動物TSD的重要調(diào)控方式。例如，芳香化酶是合成雌激素的限速酶，而溫度誘導(dǎo)的芳香化酶基因啟動子區(qū)甲基化是黑鯛魚和紅耳龜?shù)萒SD動物性別決定的關(guān)鍵；除甲基化修飾外，ncRNAs和組蛋白修飾均被證明參與了GSD動物的性別決定過程，但是對于TSD動物來講，環(huán)境溫度如何影響機(jī)體的ncRNAs和組蛋白修飾水平仍缺乏足夠的研究。進(jìn)一步探討TSD中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，對于理解動物的性別決定生物學(xué)過程具有重要的意義。

溫度依賴型性別決定；表觀遺傳修飾；甲基化；ncRNAs；組蛋白修飾

性別決定是生物學(xué)的一個核心問題，性別決定過程不僅能夠影響個體的發(fā)育方向，而且能夠影響種群的結(jié)構(gòu)、動態(tài)和命運(yùn)［1］。動物的性別決定是由遺傳因子和外界環(huán)境共同決定的，基本上可以分為兩種類型：遺傳型性別決定（GSD）和環(huán)境型性別決定（ESD）。其中GSD類型的動物在受精時就已決定了個體的初始性別，主要包含的類型有：①XX/XY型，如哺乳動物，具有XX同型染色體為雌性，具有XY異型染色體為雄性；②ZZ/ZW型，如鳥類，具有ZZ同型染色體為雄性，具有ZW異型染色體為雌性。ESD類型動物的性別則由其受精后胚胎所處的環(huán)境條件決定，包括：溫度、pH值、鹽分含量等，甚至群體性比、病原體等。在脊椎動物中ESD的一種主要表現(xiàn)形式為溫度依賴型性別決定（TSD），即個體性別依賴于胚胎發(fā)育過程中的環(huán)境溫度，TSD在魚類和爬行類動物中最為常見。

1 動物TSD調(diào)控機(jī)制的研究現(xiàn)狀

1.1 TSD的分類

動物的TSD基本上可以分為三種類型［2］：①TSD Ia（MF）型：即低溫產(chǎn)雄性，高溫產(chǎn)雌性。TSD Ia是動物TSD的主要類型，例如常見的烏龜、紅耳龜、錦龜?shù)榷紝儆诖祟悇e；②TSD Ib（FM）型：即低溫產(chǎn)雌性，高溫產(chǎn)雄性。TSD Ib在部分蜥蜴、多種魚類中有過報道；③TSD II（FMF）型：即低溫和高溫均產(chǎn)雌性，中間溫度產(chǎn)雄性。在龜鱉類、蜥蜴類和鱷類中都存在有TSD II模式。

1.2 激素在TSD中的調(diào)控機(jī)制

動物的性別決定包括兩個方面：一是性腺的決定和發(fā)育，稱為初級性別決定，主要包括原始性別的決定、性腺的發(fā)育；二是附屬性器官、特征及性行為的建立稱為次級性別決定，主要包括在動物體內(nèi)睪丸或卵巢形成后，由各自的性腺或者生殖腺分泌性激素來促使相關(guān)組織、附屬組織和器官的發(fā)育以及性行為的形成和建立。對于TSD動物來講，激素在初級性別決定和次級性別決定過程中都起了關(guān)鍵的作用，在產(chǎn)生雄性的孵化溫度下，睪酮（T）由5α-還原酶作用轉(zhuǎn)化為雙氫睪酮（DHT），然后經(jīng)過級聯(lián)反應(yīng)最終誘導(dǎo)胚胎發(fā)育成雄性幼體；在產(chǎn)生雌性的孵化溫度下，睪酮由芳香化酶作用轉(zhuǎn)化為雌二醇（E2），然后經(jīng)過一系列反應(yīng)最終誘導(dǎo)胚胎發(fā)育成雌性幼體。在卵孵化過程中，使用外源雌激素處理，可以誘導(dǎo)處于雄性孵化溫度中的胚胎發(fā)育成雌性。但是，使用外源雄激素處理卻不能誘導(dǎo)雌性孵化溫度中的胚胎發(fā)育成雄性?？赡芤?yàn)椴G酮被芳香化酶催化后轉(zhuǎn)換成了雌激素；如果利用芳香化酶抑制劑抑制其作用，則可在雌性溫度條件下產(chǎn)生雄性胚胎。激素在TSD中的調(diào)控作用已經(jīng)基本明確，但是激素水平響應(yīng)環(huán)境溫度的具體分子機(jī)制仍不確定。

1.3 性別決定相關(guān)基因與TSD

早期研究認(rèn)為動物的TSD和GSD為2種獨(dú)立的性別決定系統(tǒng)，新的研究表明兩者并非完全獨(dú)立，而是具有一定的關(guān)聯(lián)性。比較基因組分析表明，許多在GSD動物中調(diào)控性腺分化的基因在TSD動物中都是保守的，且進(jìn)一步的功能驗(yàn)證表明，它們在TSD動物的性別決定中大多還擁有類似的調(diào)控功能，提示TSD和GSD在分子水平可能采用了相同的調(diào)控通路。目前已經(jīng)驗(yàn)證的性別決定相關(guān)基因包括：Sox9、Sf-1、Dmrt1、Wt1、Wt4、Dax1、FoxL2、Cyp19a1、Mis等［3］。這些基因在GSD和TSD動物中都是性別決定的關(guān)鍵調(diào)控因子，但對于TSD動物來講，比較特別的地方在于，環(huán)境變化對部分性別決定基因的表達(dá)水平具有決定性的作用，從而能夠決定胚胎的性別。與激素調(diào)控TSD的研究類似，這些性別決定相關(guān)基因在TSD動物中如何響應(yīng)環(huán)境溫度變化仍不明確。

2 表觀遺傳修飾在TSD中的調(diào)控機(jī)制

表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變。表觀遺傳修飾很大程度上介導(dǎo)了機(jī)體對環(huán)境變化的響應(yīng)，同時也整合了環(huán)境與基因組信息來產(chǎn)生特定的表型。近期的研究表明，環(huán)境溫度通過表觀遺傳修飾的方式改變性別決定相關(guān)基因的表達(dá)變化，可能是TSD的重要調(diào)控方式。表觀遺傳修飾主要包括三種方式：DNA甲基化、非編碼RNA和組蛋白修飾調(diào)控。通常情況下，表觀遺傳修飾都不是單獨(dú)發(fā)生的，這三種機(jī)制往往存在交互作用，共同調(diào)控目的基因的表達(dá)，進(jìn)而參與了植物、無脊椎動物或脊椎動物的性別決定和性腺分化。

2.1 DNA甲基化在TSD中的調(diào)控作用

DNA甲基化往往發(fā)生在基因的啟動子區(qū)或調(diào)控區(qū)域，DNA甲基化能夠通過抑制基因的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)基因的功能。環(huán)境變化可能通過改變ESD動物性別決定相關(guān)基因的甲基化修飾模式來決定后代的性別。近期我國的學(xué)者對半滑舌鰨的全基因組進(jìn)行了測序，并分析了全基因組的甲基化修飾與性別決定的關(guān)系。半滑舌鰨屬于ZZ/ZW性別決定類型，正常雌魚在溫度控制之下能夠發(fā)生性逆轉(zhuǎn)而變?yōu)閭涡埕~。性逆轉(zhuǎn)后偽雄魚全基因組的DNA甲基化模式變得跟正常雄魚幾乎一模一樣，而且，DNA的甲基化主要富集在與性別決定通路有關(guān)的基因上。半滑舌鰨的證據(jù)進(jìn)一步從基因組水平證明了甲基化修飾在性別決定調(diào)控中的重要性。在非哺乳類的脊椎動物中，芳香化酶（Cyp19a1）是將雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素的關(guān)鍵酶，從而參與調(diào)控雌性的卵巢發(fā)生。在許多魚類和爬行動物中，溫度誘導(dǎo)的雄性化都與Cyp19a1的表達(dá)抑制相關(guān)聯(lián)，而最近的研究表明Cyp19a1基因啟動子區(qū)的甲基化可能是連接溫度變化和性別決定的橋梁。例如歐洲鱸魚的性別是由環(huán)境和遺傳共同調(diào)控的，其性別決定的溫度敏感期（TSP）位于幼體期，溫度誘導(dǎo)的雄性化被證明與Cyp19a1基因啟動子區(qū)的甲基化水平上升相關(guān)聯(lián)，但是溫度變化伴隨的Cyp19a1基因啟動子區(qū)的甲基化只能在性腺中檢測到，而在大腦中檢測不到，說明該甲基化對溫度的響應(yīng)還具有組織特異性。溫度誘導(dǎo)的Cyp19a1基因啟動子區(qū)甲基化模式還存在一定的物種間保守性，例如在黑鯛魚和紅耳龜?shù)男詣e決定過程中，Cyp19a1基因啟動子區(qū)甲基化修飾也起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。相對于Cyp19a1基因，Sry基因是哺乳動物睪丸發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控基因，小鼠上的研究表明DNA甲基化對Sry的時空表達(dá)具有重要的調(diào)控作用。烏龜是典型的TSD Ia型爬行動物，烏龜?shù)腟ox9基因（爬行動物的Sry同源基因）在雄性孵化溫度下存在顯著高表達(dá)［4］，但是爬行動物Sox9基因的表達(dá)是否接受DNA甲基化調(diào)控需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。對其余TSD動物來講，筆者推測甲基化修飾可能是其溫度依賴型性別決定的重要調(diào)控機(jī)制之一，通過改變啟動子區(qū)的甲基化修飾水平，性別決定基因能夠響應(yīng)孵化溫度的變化，改變其表達(dá)水平，進(jìn)而決定了性腺的發(fā)育方向，但這樣的推測需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 ncRNAs在TSD中的調(diào)控作用

除了甲基化修飾外，ncRNAs也是動物性別決定的重要調(diào)控方式。ncRNAs是指不翻譯為蛋白質(zhì)的有功能的RNA分子，被認(rèn)為是表觀遺傳修飾的重要組成方式。參與表觀遺傳調(diào)控的ncRNAs主要有兩類：長非編碼RNAs（lncRNAs；＞200 nt）和小RNAs（miRNAs；19-25 nt）。ncRNAs通過招募表觀遺傳沉默復(fù)合體進(jìn)而結(jié)合在基因組或轉(zhuǎn)錄組的同源位點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)基因的表達(dá)調(diào)控。ncRNAs在植物、昆蟲、魚類、鳥類、哺乳動物中均被證明參與了性別決定的過程。例如在大西洋大比目魚中多個miRNAs的表達(dá)水平存在性別差異，且當(dāng)使用芳香化酶抑制劑誘導(dǎo)動物雄性化后，部分miRNAs的表達(dá)水平也相應(yīng)地發(fā)生了改變，提示部分miRNA參與了激素調(diào)控的信號通路。在雞的性別決定過程中，miR-202*在雄性中高表達(dá)，從而推測其與雞的睪丸發(fā)育相關(guān)。給發(fā)育至4.5 d的雄性胚胎（ZZ）注射雌激素（E2）誘導(dǎo)其雌性化時，能夠觀測到miR-202*的表達(dá)顯著降低，同時還能觀測到睪丸生成調(diào)控基因Dmrt1和Sox9的表達(dá)下調(diào)，而卵巢生成調(diào)控基因FoxL2和Cyp19a1的表達(dá)則顯著上調(diào)。相反的，用芳香化酶抑制劑處理3.5 d的雌性胚胎（ZW）時，能夠觀測到miR-202*的表達(dá)顯著上調(diào)，同時伴隨的還有Dmrt1和Sox9的上調(diào)以及FoxL2和Cyp19a1的下調(diào)。雖然目前已經(jīng)證明ncRNAs參與了動物的性別決定過程，并已經(jīng)鑒定了許多雌雄間差異表達(dá)的ncRNAs，但是這些結(jié)果多是在GSD動物中被發(fā)現(xiàn)。關(guān)于TSD動物中的ncRNAs的研究尚未見報道，有哪些ncRNAs尤其是miRNAs參與了TSD的調(diào)控過程，這些ncRNAs的表達(dá)如何響應(yīng)孵化溫度的變化，以及這些ncRNAs如何與已知的性別決定基因互作都是未知的，闡明這些問題有助于進(jìn)一步深入理解動物TSD的分子調(diào)控機(jī)制。

2.3 組蛋白修飾在TSD中的作用機(jī)制

核小體是染色質(zhì)的基本組成單位，由一個組蛋白八聚體（由4種組蛋白H2A、H2B、H3和H4組成，每一種組蛋白各二個分子）、一個H1組蛋白和一段DNA構(gòu)成。組蛋白修飾在轉(zhuǎn)錄水平對基因表達(dá)存在調(diào)控作用，例如，H3K9me（組蛋白H3第9位賴氨酸甲基化）是H3的重要修飾方式，其能夠參與異染色質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)錄沉默過程。許多參與組蛋白修飾的酶對于外界環(huán)境變化都很敏感，因此能夠介導(dǎo)環(huán)境變化對基因表達(dá)的影響。缺乏H3K9去甲基化酶的XY小鼠，常常表現(xiàn)出性逆轉(zhuǎn)特征或徹底發(fā)育為不育的雌性小鼠?；虮磉_(dá)分析表明，H3K9去甲基化酶的缺失顯著下調(diào)了胚胎發(fā)育期Sry基因的表達(dá)水平。而在野生型的XY小鼠中，體細(xì)胞的Sry位點(diǎn)有大量的H3K9去甲基化酶聚集，進(jìn)而導(dǎo)致H3K9me2的升高和H3K4me3的降低。這些證據(jù)均證明組蛋白修飾在動物性別決定中可能有的重要作用。PcG蛋白是一組通過染色質(zhì)修飾調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制子，在小鼠上的同源基因?yàn)镃BX2，CBX2突變型小鼠有一半會在斷奶前死掉，而剩余的則表現(xiàn)出性腺發(fā)育不全和雄性到雌性的性逆轉(zhuǎn)。性腺生長缺陷出現(xiàn)的時間與Sry表達(dá)的時間相一致，說明CBX2缺陷引起的性逆轉(zhuǎn)可能與Sry的表達(dá)有關(guān)。進(jìn)一步通過蛋白質(zhì)組和免疫組化分析表明，一系列的轉(zhuǎn)錄因子，包括Sry、Sox9、Lhx9、Ad4BP/SF-1、Dax-1、Gata4、Arx和Dmrt1的表達(dá)均受到CBX2基因敲除的影響。在CBX2基因敲除小鼠中過表達(dá)Sry或Sox9基因，能夠挽救雄性到雌性的性逆轉(zhuǎn)，這說明CBX2通過Sry基因表達(dá)參與了睪丸的發(fā)育。對于TSD動物來講，進(jìn)一步分析環(huán)境溫度如何參與組蛋白的修飾過程，或者參與組蛋白修飾的酶的表達(dá)量、活性和結(jié)合位點(diǎn)如何響應(yīng)孵化溫度的變化，可能是研究組蛋白修飾參與TSD調(diào)控的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

綜上所述，動物的溫度依賴型性別決定（TSD）是一個復(fù)雜而有趣的生物學(xué)現(xiàn)象，但其具體的生物學(xué)機(jī)制仍不明確。表觀遺傳修飾很大程度上介導(dǎo)了機(jī)體對環(huán)境變化的響應(yīng)，環(huán)境溫度通過表觀遺傳修飾的方式改變性別決定相關(guān)基因的表達(dá)變化，可能是動物TSD的一種重要調(diào)控方式。進(jìn)一步分析DNA甲基化、ncRNAs表達(dá)和組蛋白修飾如何響應(yīng)孵化溫度的變化；DNA甲基化、ncRNAs和組蛋白修飾之間如何互作；DNA甲基化、ncRNAs和組蛋白修飾如何調(diào)控性別決定相關(guān)基因和性激素的表達(dá)變化，對于理解動物性別決定的生物學(xué)過程具有重要的意義。

［1］杜衛(wèi)國，孫寶珺.爬行動物溫度決定性別的現(xiàn)象與機(jī)制.生物學(xué)通報，2012，47（3）：1-5.

［2］賀斌，史海濤，廖廣橋.龜鱉類溫度依賴型性別決定機(jī)制的研究進(jìn)展.動物學(xué)雜志，2009，44（5）：147-152.

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［4］湯文琦.孵化溫度對烏龜性別決定基因表達(dá)的影響［D］.杭州師范大學(xué)，2013.

S81

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1004-5090（2016）09-0011-03

2016-08-16）