動(dòng)物性別決定分子調(diào)控研究進(jìn)展

宋艷芳

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030）

在胚胎發(fā)育初期，具有雙重分化潛能的原始性腺開始分化為睪丸或卵巢。在大多數(shù)動(dòng)物中兩性的發(fā)育對(duì)它們的生存和進(jìn)化是必不可少的［1］。性別與家畜的經(jīng)濟(jì)用途及生產(chǎn)性能密切相關(guān)，位于Y染色體上的性別決定基因（sex region of chromosome）的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)研究使得人們對(duì)動(dòng)物性別決定有了更深入的認(rèn)識(shí)［2］。動(dòng)物的性別決定是以性控基因SRY為主導(dǎo)、多基因共同參與的一個(gè)有序調(diào)控過程，但是其調(diào)控機(jī)制尚不清晰［3］。在最初動(dòng)物性別決定的研究中發(fā)現(xiàn)，位于Y染色體上的SRY基因?qū)π詣e決定起關(guān)鍵作用。在性腺發(fā)育早期SRY在XY生殖嵴的體細(xì)胞中表達(dá)，SRY基因表達(dá)開始的輕微延遲也會(huì)導(dǎo)致XY性別逆轉(zhuǎn)，并可以誘導(dǎo)支持細(xì)胞前體分化為支持細(xì)胞，而非雌性顆粒細(xì)胞［4］。XY胚胎雙潛能生殖嵴中Y連鎖基因SRY的表達(dá)可用于哺乳動(dòng)物的性別鑒定。隨著對(duì)性別決定基因及其上下游調(diào)控機(jī)制的研究，陳勇等［5］的研究發(fā)現(xiàn)，SF1、WT1參與原始性腺的發(fā)育，而SRY、Sox9與睪丸發(fā)育有關(guān)，但對(duì)于動(dòng)物性別決定分子調(diào)控過程人們還知之甚少。

文章對(duì)性別決定相關(guān)基因的研究及對(duì)動(dòng)物性別決定分子調(diào)控機(jī)制的最新研究成果進(jìn)行綜述，以期為動(dòng)物性別決定調(diào)控機(jī)制的研究提供參考。

1 性別決定相關(guān)基因的研究進(jìn)展

1.1 類固醇生成因子－1（SF1）

SF1參與支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的形成，并先于SRY基因表達(dá)［6］。在性腺早期分化階段，若SF1基因缺失會(huì)導(dǎo)致性腺發(fā)育不全或性腺發(fā)育停止［7］。在性腺發(fā)育后期，SF1基因可在睪丸支持細(xì)胞和睪丸間質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，其產(chǎn)物可以與Sox9共同作用調(diào)節(jié)抗繆勒式管激素（Amh）基因及其他性腺發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)水平。R.Y.Sekido等［8］對(duì)SF1基因的研究表明，SF1與Sox9基因特定序列進(jìn)行結(jié)合后可上調(diào)Sox9基因表達(dá)。D.Lourenco等［9］在對(duì)人類性功能障礙類疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，SF1基因發(fā)生突變后會(huì)導(dǎo)致XY個(gè)體性腺發(fā)育不全而使XX個(gè)體存在原發(fā)性卵巢功能不全。

1.2 WT1

WT1基因編碼一種在卵巢顆粒細(xì)胞和睪丸支持細(xì)胞中特異性表達(dá)的核轉(zhuǎn)錄因子。WT1是一類含有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，WT1失活導(dǎo)致支持細(xì)胞向睪丸間轉(zhuǎn)化。Cen C.H.等［10］研究表明，WT1突變會(huì)導(dǎo)致小鼠性腺發(fā)育不全。WT1在RNA剪接過程中可形成兩種WT1蛋白亞型，即＋KTS、－KTS，在性腺發(fā)育過程中發(fā)揮著不同功能。－KTS亞型可以與SRY基因或SF1基因啟動(dòng)子結(jié)合并激活其表達(dá)，＋KTS則參與SRY基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控；還有研究表明，該亞型可協(xié)同SF1增強(qiáng)Amh基因表達(dá)［11］。

1.3 SRY

SRY是轉(zhuǎn)錄因子Sox家族的成員，該家族蛋白對(duì)細(xì)胞分化具有重要作用。SRY是Y染色體上決定生物雄性性別的基因片段，是性別決定的關(guān)鍵基因，具有高度保守的DNA結(jié)合域（HMG－box）。小鼠SRY基因的表達(dá)受轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學(xué)的控制，并以一種發(fā)育階段特異性的方式進(jìn)行。SRY啟動(dòng)子在胚胎性腺體細(xì)胞的性別決定期發(fā)生去甲基化。但其分子機(jī)制和體內(nèi)意義尚不清楚。研究表明，所有XY個(gè)體發(fā)生性別反轉(zhuǎn)的SRY基因均在HMG－box內(nèi)發(fā)生突變［12］。郝勝菊等［13］報(bào)道，小鼠體內(nèi)SRY基因的C末端區(qū)域有一個(gè)較長(zhǎng)的富含谷氨酸的結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域具有轉(zhuǎn)錄活性，若缺失該區(qū)域則小鼠無(wú)法發(fā)育成雄性個(gè)體。人的SRY蛋白在體外只有全長(zhǎng)才具有與DNA結(jié)合的能力。性別決定對(duì)SRY基因編碼蛋白具有高度敏感的劑量效應(yīng)，最近的研究結(jié)果顯示，SRY下游基因?qū)?dòng)物性腺分化的調(diào)控作用與該基因的表達(dá)量有關(guān)，基因的過度表達(dá)或表達(dá)不足均能引起性別分化異常［14－16］。SRY基因僅在生殖嵴中的一小部分細(xì)胞中表達(dá)并啟動(dòng)男性發(fā)育［17］。在小鼠體內(nèi)，SRY基因僅在生殖嵴的中心區(qū)域低表達(dá)，隨著性腺的發(fā)育SRY基因表達(dá)量增加，一旦性腺開始分化后將無(wú)法檢測(cè)其表達(dá)［18］。對(duì)調(diào)節(jié)SRY的因素和途徑的更好理解可能會(huì)解釋一些未診斷的XY性發(fā)育障礙。Song Y.N.等［19］研究證實(shí)Sp1為SRY轉(zhuǎn)錄的主要調(diào)控因子，若位于SRY 5′側(cè)翼區(qū)Sp1基因突變會(huì)導(dǎo)致兔子性反轉(zhuǎn)。V.P.Vidal等［20］已確定SRY基因與Sox9特定序列結(jié)合后可反式激活Sox9，故Sox9是SRY的靶基因。

1.4 GATA4

GATA基因編碼蛋白具有鋅指結(jié)構(gòu)，可與SF1、FOG2、WT1基因協(xié)同調(diào)節(jié)性別決定基因SRY、Sox9、Amh等的表達(dá)［21－22］。在GATA基因研究中發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)GATA基因鋅指結(jié)構(gòu)發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致睪丸發(fā)育畸形［23］。人體內(nèi)GATA基因缺失突變則導(dǎo)致外陰性別不明或陰莖長(zhǎng)度縮短性發(fā)育疾?。?4］。最新的研究結(jié)果表明，GATA4在原始性腺上皮細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，它不僅參與睪丸發(fā)育，還與新生殖腺嵴的形成有關(guān)。

1.5 Sox9

Sox9與SRY基因一樣都屬于Sox基因家族成員，都具有HMG－box高度保守區(qū)域，且都參與性別決定過程。對(duì)小鼠胚胎進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，Sox9最初在生殖腺嵴中低表達(dá)，一旦SRY基因表達(dá)后Sox9基因在睪丸支持細(xì)胞中表達(dá)量迅速上升。通過相關(guān)試驗(yàn) 已證明Sox9基因由SRY基因啟動(dòng)，但在SRY基因缺失的條件下Sox9基因仍可以轉(zhuǎn)錄表達(dá)，說明還存在其他途徑調(diào)節(jié)Sox9基因表達(dá)［25］。若小鼠體內(nèi)FGF9基因突變或DaX1基因無(wú)效，會(huì)導(dǎo)致性反轉(zhuǎn)且Sox9基因表達(dá)量降低，但SRY基因表達(dá)量無(wú)明顯變化［26］。對(duì)小鼠體內(nèi)Sox9基因敲除或過表達(dá)均導(dǎo)致小鼠胚胎發(fā)生性反轉(zhuǎn)，表明Sox9在性別決定中發(fā)揮重要作用［27］。Sox基因家族主要表達(dá)于小鼠前列腺發(fā)育的初級(jí)階段。Sox9敲除導(dǎo)致前列腺腹側(cè)發(fā)育異常分化，提示Sox9對(duì)前列腺芽上皮的早期分化至關(guān)重要。在性腺發(fā)育過程中，Sox9通過刺激Amh的表達(dá)，在男性性別決定中起關(guān)鍵作用。

1.6 Gadd45G

Gadd45A、Gadd45B、Gadd45G是應(yīng)激反應(yīng)蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞的多種過程，包括DNA修復(fù)、凋亡、細(xì)胞周期阻滯和衰老。它們還通過促進(jìn)DNA去甲基化和MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在基因激活中發(fā)揮作用［28］。在DNA去甲基化中，Gadd45將DNA修復(fù)因子引入基因特異性位點(diǎn)，啟動(dòng)去甲基化和基因激活。Gadd45G是生長(zhǎng)抑制和DNA損傷誘導(dǎo)蛋白家族中唯一一個(gè)參與SRY蛋白表達(dá)的基因。Gadd45G在性腺發(fā)育早期表達(dá)水平不高，但性別一旦開始分化其表達(dá)水平可達(dá)到最高值。Gadd45G基因缺陷的XY小鼠可導(dǎo)致不同程度的性別發(fā)育障礙［29］。目前尚無(wú)Gadd45G基因缺失導(dǎo)致人類性發(fā)育障礙的報(bào)道，但對(duì)小鼠的研究結(jié)果均表明Gadd45G是SRY基因的上游激活因子［30］。

2 性別決定調(diào)控機(jī)制研究

SRY基因是人及動(dòng)物Y染色體上性別決定的核苷酸序列，是主宰性別的TDF睪丸決定因子（testis determining factor，TDF）的遺傳基礎(chǔ)。動(dòng)物的性別決定則是以性控基因SRY基因?yàn)橹鲗?dǎo)、多基因共同參與的一個(gè)有序的調(diào)控過程。目前對(duì)性別調(diào)控機(jī)制尚不清楚，但根據(jù)最新的研究結(jié)果可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

對(duì)于性別決定調(diào)控機(jī)制的研究表明，Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信號(hào)級(jí)聯(lián)可以啟動(dòng)SRY基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)男性的性別決定。信號(hào)級(jí)聯(lián)中的基因均屬于影響性別決定的關(guān)鍵因子。在信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)中，p38 MAPK信號(hào)在生殖細(xì)胞發(fā)育后期也起著決定雄性生殖細(xì)胞命運(yùn)的作用［31］。在MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中，MAP3K4包含一個(gè)N端的自抑制區(qū)，它阻止底物相互作用。Gadd45G與MAP3K4結(jié)合，解除這種自抑制作用并激活MAP3K4。Gadd45G 與 MAP3K4 結(jié) 合 并 激 活MAP3K4，促進(jìn)p38和c－junN端激酶的磷酸化和激 活［32］。研 究 發(fā) 現(xiàn)，MAP3K4 發(fā) 生 突 變 與Gadd45G突變導(dǎo)致的性別逆轉(zhuǎn)表型非常相似，且SRY表達(dá)減少并延遲。此外，p38α／β雙突變的胚胎也顯示出完全的性反轉(zhuǎn)［33］。SRY表達(dá)所需的轉(zhuǎn)錄因子GATA 4在體內(nèi)以MAPK依賴的方式與SRY啟動(dòng)子結(jié)合。研究結(jié)果提示SRY表達(dá)的信號(hào)級(jí)聯(lián)：MAP3K4和Gadd45G會(huì)轉(zhuǎn)化p38MAPK通路使其磷酸化，從而激活GATA 4［34］。研究表明，GATA 4是MAPK信號(hào)與SRY調(diào)節(jié)之間聯(lián)系的媒介。性別決定之前和期間小鼠的GATA4在性腺體細(xì)胞中表達(dá)水平較高。轉(zhuǎn)基因小鼠的GATA4突變破壞了其與轉(zhuǎn)錄伙伴FOG2的相互作用能力，與Gadd45G突變體功能類似，表現(xiàn)為XY性反轉(zhuǎn)且SRY表達(dá)降低。對(duì)體細(xì)胞和豬睪丸支持細(xì)胞株的報(bào)告分析表明，GATA4磷酸化在Gadd45G突變小鼠中受到抑制，且GATA4可以激活SRY啟動(dòng)子。芯片試驗(yàn)結(jié)果支持GATA4激活SRY啟動(dòng)子和GATA4磷酸化在體內(nèi)SRY調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵作用。GATA4磷酸化然后結(jié)合并激活SRY啟動(dòng)子以誘導(dǎo)其表達(dá)。當(dāng)p38MAPK途徑被抑制時(shí)SRY表達(dá)受阻，導(dǎo)致性逆轉(zhuǎn)［29］。在胚胎發(fā)生過程中。Gadd45G在性腺體細(xì)胞中特異性表達(dá)，通過激活MAPK通路和GATA 4參與SRY正常表達(dá)，而不是促進(jìn)SRY啟動(dòng)子的DNA去甲基化，GATA4才是SRY表達(dá)的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)，SRY性別決定基因作用下動(dòng)物胚胎期睪丸組織間質(zhì)細(xì)胞和足細(xì)胞中產(chǎn)生SRY1因子，該細(xì)胞因子可以激活下游啟動(dòng)子，從而調(diào)控繆勒氏管發(fā)育［35］；同時(shí)SRY1細(xì)胞因子還可作用于睪丸間質(zhì)細(xì)胞，促使間質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育并分泌雄性激素，進(jìn)而使動(dòng)物產(chǎn)生雄性組織器官，向雄性動(dòng)物個(gè)體發(fā)育［36］。動(dòng)物機(jī)體一旦缺少SRY或攜帶的SRY性別決定基因處于沉默，則性染色體X短臂上的逆性別劑量敏感基因（DSS）就會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄程序，促進(jìn)卵巢等雌性器官的出現(xiàn)，進(jìn)而向雌性動(dòng)物個(gè)體發(fā)育［37］。

最近在小鼠體內(nèi)的研究表明，SRY的主要作用是實(shí)現(xiàn)相關(guān)基因Sox9的充分表達(dá)，以誘導(dǎo)支持細(xì)胞分化，進(jìn)而推動(dòng)睪丸形成。SRY和類固醇生成因子1（SF1）可與Sox9的性腺特異性增強(qiáng)子內(nèi)Tesco的特定位點(diǎn)結(jié)合，協(xié)同上調(diào)Sox9基因表達(dá)［38］。Sox9基因表達(dá)是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，Sox9能夠維持自己的表達(dá)，并且它的持續(xù)表達(dá)可能與支持細(xì)胞的維護(hù)有關(guān)。Sox9基因與作為睪丸決定因子的SRY基因的作用一致，睪丸發(fā)育中起關(guān)鍵作用的基因（如Amh和PGD2），已被確定為Sox9基因的直接目標(biāo)［39］。此外由于Sox9基因的表型在小鼠XX性腺中過度表達(dá)，Sox9被認(rèn)為是SRY下游激活的唯一基因，進(jìn)行下一步的性別發(fā)育［40］。

3 展望

隨著越來越多重要的調(diào)節(jié)基因被發(fā)現(xiàn)，對(duì)動(dòng)物性別決定調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)也在不斷豐富。根據(jù)這一系列的研究結(jié)果，人們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的思路來解釋性別決定的分子調(diào)控機(jī)制。首先SRY基因是通過Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信號(hào)級(jí)聯(lián)來調(diào)節(jié)啟動(dòng)，SRY基因表達(dá)后要通過激活下游靶基因Sox9，以誘導(dǎo)支持細(xì)胞分化，進(jìn)而促進(jìn)睪丸形成。雄性在抑制卵巢發(fā)育的同時(shí)睪丸形成。目前提出的這個(gè)性別決定的思路還需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證、補(bǔ)充。顯然，學(xué)者們還需要做更多的工作來證明所提議的級(jí)聯(lián)理論。如所提議的級(jí)聯(lián)反應(yīng)中哪些刺激可以激活體細(xì)胞性腺細(xì)胞中的p38 MAPK級(jí)聯(lián)？在什么時(shí)間、什么地點(diǎn)表達(dá)？哪些其他靶基因是由磷酸化GATA4調(diào)控的？哪些轉(zhuǎn)錄因子受p38磷酸化的調(diào)控？相信隨著技術(shù)的進(jìn)步以及科研工作的繼續(xù)，性別決定的調(diào)控機(jī)制將會(huì)越來越清晰。

兩性發(fā)育異常會(huì)導(dǎo)致一些常見性發(fā)育疾病的產(chǎn)生，而性別決定由多個(gè)性控基因參與調(diào)控，一旦某個(gè)基因沉默或表達(dá)失控都會(huì)影響相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致兩性發(fā)育異常。在動(dòng)物繁殖發(fā)育過程中性別調(diào)控機(jī)制研究一直是研究熱點(diǎn)，目前根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果對(duì)性別調(diào)控有了簡(jiǎn)單的了解，但這樣的了解并不能全面地解釋性別決定這個(gè)復(fù)雜而又有序的過程。隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，動(dòng)物性別決定分子調(diào)控研究將更加深入全面地解答動(dòng)物的性別決定機(jī)制謎團(tuán)，為多種人類性發(fā)育疾病的治療帶來新的解決方案。