鞘翅目昆蟲性別決定的研究進(jìn)展

王家晉，廖菘凱，黃家豪，陳 輝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點實驗室，林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

生物兩性的產(chǎn)生是發(fā)育和進(jìn)化生物學(xué)研究的重大課題，不僅涉及到物種的生存和發(fā)育，而且關(guān)系著物種的種群繁衍和進(jìn)化，在物種產(chǎn)生和進(jìn)化中性別決定發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。性別決定是胚胎分化成雄性或雌性發(fā)育過程[2]，其中包括初級信號、關(guān)鍵基因等一系列內(nèi)外因素的調(diào)控[3]。昆蟲作為種類最為豐富、性別分化最為特殊的一類生物，性別決定基因的級聯(lián)效應(yīng)、性別決定級聯(lián)通路基因特異性表達(dá)和剪接、性別決定通路未知因子、環(huán)境等因素都直接或間接決定和影響昆蟲性別的分化，從而形成不同性別決定通路模式。Sánchez[4]依據(jù)昆蟲性別決定通路初始信號的來源，將昆蟲性別決定機(jī)制分為合子型(zygotic)，由遺傳差異決定性別；母體型(maternal),由昆蟲母體決定性別；環(huán)境決定型(environmental)，由環(huán)境條件決定性別。上游初始信號誘導(dǎo)和調(diào)控下游性別決定基因的表達(dá)，構(gòu)成昆蟲性別決定通路的基本框架(圖1)。同時，昆蟲性別決定又受劑量補償(dosage compensation)、補償性性別決定(complementary sex determiner)和M因子(M factor)的調(diào)控。

注:A.鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)性別決定通路[11-13]；B.雙翅目昆蟲黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)性別決定通路[3]；C.鱗翅目昆蟲家蠶(Bombyx mori)性別決定通路[14]；D.膜翅目昆蟲西方蜜蜂(Apis mellifera)性別決定通路[15]。

鞘翅目昆蟲是昆蟲綱中最具多樣性的一個類群[5-10]，近年來鞘翅目昆蟲性別決定機(jī)制的研究集中于赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)等昆蟲，研究內(nèi)容也局限于性別決定基因的類型，性別決定基因tra，tra-2→dsx作用模式，以及性別決定基因在性別分化中的作用等方面。本文綜述了國內(nèi)外鞘翅目昆蟲性別決定基因的研究進(jìn)展、性別決定基因的功能及其相互作用，以及決定基因在昆蟲發(fā)育中的作用和機(jī)制。

1 性別決定初始信號和性別決定基因

昆蟲性別決定級聯(lián)通過基因特異性表達(dá)和選擇性剪接調(diào)節(jié)性發(fā)育和性行為，并伴隨著一系列性別特異性現(xiàn)象[16-17]。赤擬谷盜(T.castaneum)tra/fem前體mRNA在雌蟲翻譯得到tra蛋白，促使受精卵的tra前體mRNA發(fā)生雌性特異性剪接，得到雌性特異蛋白dsxF；而雄蟲可能存在一種未知的M因子，抑制tramRNA的翻譯，減少tra的轉(zhuǎn)錄或抑制tra表達(dá)，導(dǎo)致tra初期蛋白缺失，使tra編碼無功能的蛋白質(zhì)，促使dsx發(fā)生雄性特異性剪接，得到雄性dsxM蛋白。盡管不同昆蟲性別決定級聯(lián)的起始信號相差甚遠(yuǎn)，但級聯(lián)核心基因卻相對保守[18-19]，性別決定核心調(diào)控基因dsx幾乎在所有昆蟲中被發(fā)現(xiàn)。目前，已有大量研究揭示了性別決定基因在鞘翅目昆蟲性別分化中的作用[20-24]，并對性別決定級聯(lián)基因鑒定和功能進(jìn)行了驗證(表1)。

表1 鞘翅目昆蟲已鑒定性別決定基因

2 性別決定基因的級聯(lián)效應(yīng)

dsx基因位于性別決定級聯(lián)底部，行使決定體細(xì)胞性別的功能，具有保守性。由于初始信號在不同物種間具有差異性，性別決定級聯(lián)上游基因顯示出不同的作用方式。Shukla等[11-13]在赤擬谷盜(T.castaneum)中獲得與黑腹果蠅(D.melanogaster)dsx，tra和tra-2同源的基因。dsx屬于DM結(jié)構(gòu)域基因家族，在許多動物性別決定或性別分化中發(fā)揮作用[32-34]。dsx蛋白包含2個功能域：DNA結(jié)合域(DM或OD1)和二聚結(jié)構(gòu)域(OD2)。DM結(jié)構(gòu)域?qū)儆阡\指結(jié)構(gòu)，存在于由Dmrt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子組成的DM超家族組多個基因中，具有鋅螯合和啟動子結(jié)合的保守氨基酸殘基[35-37]。dsx上游基因transformer(tra)屬于一類SR型蛋白，序列含有較多的精氨酸(R)和絲氨酸(S)殘基，是一種進(jìn)化非常迅速的基因。tra存在自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域CAM，這個結(jié)構(gòu)域存在于除黑腹果蠅外所有tra基因。鞘翅目昆蟲中CAM結(jié)構(gòu)域位于基因的N端，且與部分雙翅目和膜翅目昆蟲同源[38]。tra-2是一種含有RNA-binding motif(RRM)結(jié)構(gòu)域和富含SR(絲氨酸/精氨酸)區(qū)域的蛋白質(zhì)(圖2)，并與dsx前體mRNA第4外顯子(雌性特異性外顯子)的剪接增強子(ESE)結(jié)合而發(fā)揮作用，不同昆蟲的tra-2基因在RRM結(jié)構(gòu)域中具有保守性[39]。dsx、tra和tra-2在不同物種間的結(jié)構(gòu)相似性反映了昆蟲性別決定基因的基本特征。

注:A.dsx基因結(jié)構(gòu)域分布：鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)、Gnatocerus cornutus、Photinus pyralis、山松大小蠹(Dendroctonus ponderosae)dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域分別為OD1和OD2結(jié)構(gòu)域；B.tra基因結(jié)構(gòu)域分布，鞘翅目昆蟲獨角仙(Trypoxylus dichotomus)、Photinus pyralis、Cyclommatus metallifer、蜂箱小甲蟲(Aethina tumida)dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域為CAM結(jié)構(gòu)域；C.tra-2基因結(jié)構(gòu)域分布：鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)、米象(Sitophilus oryzae)、Photinus pyralis、Diabrotica virgifera dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域分別為RS1、RRM和OD2結(jié)構(gòu)域。

3 性別決定基因的特異性表達(dá)和剪接

tra基因通過調(diào)控dsx的前體mRNA，對雌性的性別決定和雌性選擇性剪接的維持起著至關(guān)重要的作用。雌性tra調(diào)節(jié)自身前體mRNA的選擇性剪接，以確保雌性tra蛋白的持續(xù)生產(chǎn)；而雄性中可能存在一種未知的M因子，抑制tra前體mRNA的翻譯和選擇性剪接，產(chǎn)生截短且無功能的tra蛋白，因此導(dǎo)致dsx前體mRNA發(fā)生雄性選擇性剪接，產(chǎn)生雄性特異性dsxM蛋白。然而，在很多昆蟲中M因子的位置并不固定，且序列沒有保守性，作用方式也不盡相同[40]。tra-2在雌性和雄性中均表達(dá)，具有非性別特異性，且表達(dá)量在所有蟲態(tài)沒有明顯差異。tra-2對tra和dsx均有調(diào)控作用，tra-2促進(jìn)tra前體mRNA進(jìn)行雌性選擇性剪接，抑制雄性dsx前體mRNA的雌性選擇性剪接；tra-2和tra對tra前體mRNA選擇性剪接的共同調(diào)控，確保了性別決定的嚴(yán)格調(diào)控。tra-2蛋白富含絲氨酸和精氨酸的蛋白既是剪接激活因子，也是剪接抑制因子[41-42]。由此Shukla和Palli提出赤擬谷盜性別決定級聯(lián)架構(gòu)，即tra-2作用于tra和dsx的前體mRNA，并調(diào)控選擇性剪接，dsx作用于下游的靶點決定體細(xì)胞性別的分化和功能發(fā)揮。

4 影響鞘翅目昆蟲性別決定的因素

昆蟲性別決定基因的表達(dá)也受激素的影響和相互作用，dsx與保幼激素(juvenile hormone)存在聯(lián)合互作。Gotoh Hiroki等[43]對鞘翅目昆蟲Cyclommatusmetalliferdsx基因與保幼激素(JH)的相互作用進(jìn)行了研究，首次證明了性別決定基因和保幼激素(JH)信號通路之間的因果聯(lián)系。雌性特有的dsxF使雌性下頜骨對保幼激素(JH)敏感性下降，而雄性特有的dsxM則使雄性對保幼激素(JH)敏感性增大。因此，C.metallifer出現(xiàn)下頜骨形態(tài)的典型性二型現(xiàn)象，即雄性下頜骨長，雌性下頜骨短。對dsx基因進(jìn)行沉默后，保幼激素(JH)處理可以刺激雌性的下頜骨生長，而雄性下頜骨對保幼激素(JH)雖仍有一定的敏感性，但雄性個體的下頜骨明顯變小，即性別特異性的dsx蛋白降低了雌性對保幼激素的敏感性，增加了雄性對JH的敏感性。

同時，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和內(nèi)共生細(xì)菌也可影響昆蟲的性別決定[44-45]。沃爾巴克氏體(Wolbachia)是一類母性遺傳的革蘭氏陰性細(xì)胞內(nèi)共生菌，廣泛存在于昆蟲、蜘蛛和螨等節(jié)肢動物體內(nèi)，是昆蟲體內(nèi)分布最廣的細(xì)胞內(nèi)共生菌[46]。王阿旻等[47]在喂食雜擬谷盜(T.confusum)的面粉中加入四環(huán)素，利用抗生素去除體內(nèi)沃爾巴克氏體，經(jīng)處理后雌性與雄性交配后的產(chǎn)卵率為0%。這說明沃爾巴克氏體的去除誘導(dǎo)雜擬谷盜繁殖不親和性，也誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和、孤雌生殖、雄性的雌性化、雄性胚胎致死和增強雌性繁殖力等[48-49]。

此外，營養(yǎng)、光照、種群密度等外在因素與染色體組成、性別決定級聯(lián)均與鞘翅目昆蟲性別決定關(guān)系密切，通過一系列相互作用共同調(diào)控鞘翅目昆蟲性別決定，形成鞘翅目昆蟲性別分化多樣性[50-52]。

5 性別決定級聯(lián)在鞘翅目昆蟲性別分化中的作用

性別決定級聯(lián)不但控制昆蟲的性別分化，而且作用下游或其他基因，調(diào)節(jié)昆蟲生長發(fā)育。dsx、tra和tra-2基因與發(fā)育、繁殖和生存密不可分，dsx基因的沉默影響赤擬谷盜卵黃蛋白原(Vg)的產(chǎn)生[53]，在促進(jìn)卵母細(xì)胞生長分化、轉(zhuǎn)運金屬離子、脂質(zhì)、甲狀腺素、維生素A、類胡蘿卜素和核黃素等方面發(fā)揮著重要作用[54-55]。Vg在脂肪體合成1個或多個前體[56]，通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用可被卵黃蛋白原受體(VgRs)攝取[57-58]。dsx與Vg的相互作用與其他昆蟲具有相似性，雌性dsx蛋白(dsxF)促進(jìn)Vg表達(dá)，雄性dsx蛋白(dsxM)降低Vg表達(dá)[59]。tra基因在赤擬谷盜幼蟲末期的表達(dá)是蛹和成蟲性器官結(jié)構(gòu)發(fā)育的先決條件，當(dāng)幼蟲tra被沉默，性器官呈現(xiàn)明顯缺陷，或出現(xiàn)兩性中間表型，如雌性成蟲出現(xiàn)雄性特有的剛毛。tra-2基因沉默后赤擬谷盜成蟲經(jīng)自由交配與產(chǎn)卵，出現(xiàn)少數(shù)蟲卵無法孵化或發(fā)育過程中胚胎死亡現(xiàn)象。tra在鞘翅目昆蟲發(fā)育中的作用主要是調(diào)控性別的選擇性剪接和性器官的發(fā)育，tra-2則與tra共同調(diào)控性別的選擇性剪接和胚胎的發(fā)育，從而影響下游dsx基因的選擇性剪接，控制卵黃發(fā)育和精子發(fā)生。

性二型是昆蟲的顯著特征，也是昆蟲形態(tài)多樣性的體現(xiàn)[60]，鞘翅目昆蟲配偶選擇、交配競爭、種群擴(kuò)散和捕食等特性驅(qū)動性二型的自然選擇，寬大的口器有利于雄性在配偶競爭中取得優(yōu)勢，細(xì)長的四肢讓昆蟲捕獲獵物時成功率更高。昆蟲兩性形態(tài)分化是基因表達(dá)差異的體現(xiàn)，性二型受性別決定級聯(lián)基因的調(diào)控，其中dsx是性二型的關(guān)鍵基因，在鞘翅目昆蟲Onthophagustaurus、Onthophagussagitarius、獨角仙(Trypoxylusdichotomus)和C.metallifer中得到充分驗證[61-63]。dsx對鞘翅目昆蟲Gnatoceruscornutus下頜骨的性二型具有重要作用，雌性幼蟲dsx沉默后比野生型具有更寬大的下頜骨，而雄性幼蟲dsx沉默后下頜骨顯著變小[64]。dsx對其他鞘翅目昆蟲性二型的影響具有相似性，證實性別決定級聯(lián)在很大程度上影響鞘翅目昆蟲兩性的形態(tài)分化。

6 問題和展望

鞘翅目昆蟲性別決定的tra，tra-2→dsx模式，tra的自我調(diào)節(jié)和tra-2的協(xié)調(diào)作用，共同作用于下游dsx基因的選擇性剪接和性別分化，從而形成鞘翅目昆蟲特異的性別決定通路和性別決定機(jī)制。dsx作為性別決定級聯(lián)末端基因在所有昆蟲中高度保守，且tra，tra-2→dsx的調(diào)控模式在很多昆蟲中存在共性，成為昆蟲性別分化普遍遵循的表達(dá)模式。雖然鞘翅目昆蟲的性別決定機(jī)制研究在近年來取得了一些進(jìn)展，但研究尚處于起步階段，也存在一些問題。

鞘翅目昆蟲性別決定機(jī)制中起始信號，作用機(jī)制等仍沒有較為深入的進(jìn)展。Shukla與Palli認(rèn)為模式昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)性別決定為XX/XY系統(tǒng)，與果蠅具有相似性，然而沒有直接證據(jù)證明赤擬谷盜(T.castaneum)的初始信號為X：A(即劑量補償效應(yīng))。鞘翅目害蟲在我國廣泛分布且危害巨大，加強對鞘翅目初始信號、基因互作機(jī)制深入的研究，對揭示鞘翅目昆蟲性別決定級聯(lián)的功能和機(jī)理具有重要意義。

性別決定基因除tra、tra-2、dsx外，其他與性別相關(guān)的基因(如fru、sxl、ix、Hox等)在鞘翅目昆蟲中尚未深入探究。目前赤擬谷盜(T.castaneum)、G.cornutus和C.metallifer性別決定基因的研究，均圍繞dsx、tra等進(jìn)行，然而其他相關(guān)性別決定基因的研究有助于完善鞘翅目昆蟲性別決定通路，為其他非模式昆蟲的性別決定研究提供理論基礎(chǔ)。

赤擬谷盜M因子的發(fā)現(xiàn)對鞘翅目雄性性別決定的研究具有很大幫助，許多昆蟲Y染色體上的M因子已被鑒定，但由于M因子的不保守性，國內(nèi)外仍沒有關(guān)于鞘翅目M因子詳盡的研究結(jié)果。M因子是一種分子標(biāo)記，可用于性別鑒定，若能在鞘翅目昆蟲中明確M因子，則能在難以從肉眼辨別性別的物種中找到一個穩(wěn)定而準(zhǔn)確的性別鑒定方法，從而為鞘翅目害蟲的生物防治提供便利。

隨著鞘翅目更多昆蟲全基因組測序工作的完成，性別決定相關(guān)基因得到有效注釋，特定性別決定基因的克隆，性別特異性剪接體的發(fā)現(xiàn)，影響性別分化剪接體的功能驗證，都為進(jìn)一步闡述鞘翅目昆蟲性別決定的分子機(jī)制和進(jìn)化帶來極大的幫助，也將是未來鞘翅目昆蟲研究的熱點。