a性腺發(fā)育和性別決定

1、第一節(jié) 哺乳動物性腺的發(fā)育性腺(gonad)發(fā)育是一種獨特的胚胎發(fā)育現(xiàn)象，其他器官原基只能分化為一種器官類型，而性腺原基通常具有兩種選擇：發(fā)育為卵巢(ovary)或精巢 (testis)，因此決定機體將來性別發(fā)育。人類性腺原基在妊娠4周時出現(xiàn)于中間的中胚層，到7周前一直處于未分化狀態(tài).此時生殖嵴(genital ridge)上皮增生進(jìn)入其上方的疏松結(jié)締組織中(右圖)，形成生殖索(sex cords)，妊娠6周時它包圍遷入的生殖

2、細(xì)胞。在XX和XY兩種性腺中生殖索保持與上皮連接。,如果胎兒是XY, 生殖索到妊娠8周一直增殖并彼此愈合，形成內(nèi)部的生殖索網(wǎng)和最遠(yuǎn)端較細(xì)的睪丸網(wǎng)(rete testis)。最后睪丸索與上皮脫離被一層厚的細(xì)胞外基質(zhì)—白膜隔開。,,,生殖細(xì)胞處于生殖索中，胎兒和童年期生殖索是實心的，到青春期變成中空的，形成生精小管(seminiferous tubele)，生殖細(xì)胞開始精子形成。精子通過與輸出管(efferent duct)連接的睪丸網(wǎng)運出

3、睪丸。這些輸出管是中腎的殘余物，它們將睪丸連接到烏爾夫氏管，在雄性它分化為輸精管(vas deferen)，精子通過輸精管進(jìn)入泄殖腔(urethra)并排出體外。在胎兒時期睪丸中的間質(zhì)細(xì)胞已分化為睪丸間質(zhì)細(xì)胞(Leydig cell)，它們分泌睪丸酮(testosterone); 睪丸索的細(xì)胞分化為支持細(xì)胞(Sertoli cell)，它們?yōu)榫犹峁I養(yǎng)和分泌抗繆勒氏管的激素。,在XX性腺中，生殖索退化，很快又由上皮產(chǎn)生一組新的生殖

4、索，它僅停留在性腺的外表面稱為皮質(zhì)生殖索(cortical sex cord)，它斷裂成簇，每個圍繞一個生殖細(xì)胞，此時生殖細(xì)胞變?yōu)槁?ova)，圍繞的上皮生殖索將分化為顆粒細(xì)胞(granulosa cell)，而卵巢間質(zhì)細(xì)胞分化為卵泡膜細(xì)胞(thecal cell)，它與顆粒細(xì)胞共同形成卵泡(follicle)，每個卵泡圍繞一個卵.它們分泌類固醇(steroid)激素。雌性的繆勒氏管保持完整, 分化為輸卵管、子宮、子宮頸和上陰道.烏

5、爾夫氏管因為喪失了睪酮的影響而退化.右圖,第二節(jié) 哺乳動物的性別決定 一. 哺乳動物染色體的性別決定㈠初級性別決定初級性別決定涉及性腺的決定，是嚴(yán)格由染色體決定，不受環(huán)境影響。通常雌性是 XX，雄性是XY。雌性每個卵具有一個X染色體，雄性產(chǎn)生兩種類型的精子，一半含X染色體，另一半含Y染色體。如果受精卵接受精子的X染色體，產(chǎn)生的個體形成卵巢，發(fā)育為雌性；如果受精卵接受精子Y染色體，產(chǎn)生個體形成精巢, 發(fā)育為雄性。Y染色體

6、攜帶一個基因編碼決定因子, 它組織性腺發(fā)育為精巢。如果精子既不含X染色體，也不含Y染色體(XO),那么產(chǎn)生的個體形成纖維性生殖腺，它既不形成精子，也不形成卵子。,因此精子提供的X或Y染色體對形成性腺和保持其功能是必須的哺乳動物Y染色體對其性別決定是一個關(guān)鍵因子.一個有5個X染色體和1個Y染色體(XXXXXY)的人將是雄性；而只具有1個X染色體, 而不具有第二個X或Y染色體的人發(fā)育為雌性, 并開始形成卵巢，但其中并不含卵泡。,㈡

7、次級性別決定次級性別決定涉及性腺之外的身體表現(xiàn)型。雄性具有陰莖、精囊、前列腺和常見的雄性個體大小、聲帶軟骨和肌肉系統(tǒng)；雌性具有陰道、子宮頸、子宮、輸卵管、乳腺和常見的性別特異的個體大小、聲帶軟骨和肌肉系統(tǒng)。上述第二性征是由性腺分泌的激素決定的。在缺少性腺的情況下，產(chǎn)生雌性的表現(xiàn)型，具有輸卵管、子宮和陰道，而不管其染色體是XX，還是XY。,哺乳動物性別決定過程如下圖。精巢分泌兩種激素: 一種是抗繆勒氏管激素(anti-M

8、2;llerian duct hormone，AMH)，抑制雌性表現(xiàn)型分化。第二種激素睪酮刺激雄性表現(xiàn)型的形成.,二. 哺乳動物精巢決定的 Y 染色體基因未分化性腺分化為精巢依賴上皮生殖索細(xì)胞中Y染色體基因的表達(dá), 通過XX和XY卵裂球制備的鑲嵌小鼠證明, 這種XX/XY小鼠是不育的雄性。人類睪丸決定因子(testis-determining factor, TDF)的基因位于Y染色體的短臂上.個體具有Y染色體短臂, 無長臂

9、, 為雄性; 但無短臂, 有長臂為雌性。1985年短臂含有TDF基因的區(qū)域已經(jīng)通過臨床結(jié)合DNA雜交研究鑒定出來。人群中存在XX雄性(1/20000)和XY雌性.DNA雜交結(jié)果表明: XX雄性一個染色體上具有轉(zhuǎn)位的Y染色體 1 區(qū)中的特異DNA,而所有檢測的XY雌性丟失了Y染色體的這個區(qū)(下左圖).,,Y染色體 1 區(qū)位于擬常染色體末端前面(下右圖)，含有35000堿基對, 其中有男性特異序列編碼223氨基酸的肽,它可能是轉(zhuǎn)錄因

10、子,含有HMG-box的DNA結(jié)合域.此DNA稱為SRY (sex-determining region of the Y)基因, 它發(fā)現(xiàn)于XY和極少XX雄性中,而XX和許多XY雌性缺如,在其他XY雌性中發(fā)現(xiàn)SRY基因具有突變點和移碼(frame shift)。如果SRY 真的編碼主要的睪丸決定因子，那么應(yīng)期望它在睪丸剛分化或分化期間直接在生殖嵴中起作用，這已在小鼠同源染色體的研究中得到證實.小鼠的這個基因(Sry)也與睪丸的出現(xiàn)有

11、關(guān)，它存在于XX 雄性中，而在XY雌性中缺如。Sry 基因在小鼠性腺剛分化為睪丸之前或分化期間在未分化性腺的體細(xì)胞中表達(dá)，這是在小鼠胚胎中唯一看到這個基因表達(dá)的時間和地點。,Sry 是睪丸決定因子基因的最有效證據(jù)來自轉(zhuǎn)基因小鼠(下圖).如果Sry 對誘導(dǎo)睪丸形成起作用，那么將Sry DNA插入一個正常XX小鼠的合子,將引起XX 小鼠形成睪丸.將包括 Sry 基因的DNA中14000個堿基對取下顯微注射到剛受精小鼠合子的原核中，注射了含

12、有Sry 序列的小鼠胚胎發(fā)育出睪丸、雄性的附屬器官和陰莖，但沒有形成有功能的精子。因為在XXY小鼠和人類男性中2個X染色體的存在將阻止精子的形成。因此有理由認(rèn)為 Sry/SRY是哺乳動物Y染色體上主要的睪丸決定基因。,三. 在精巢決定中的常染色體基因Y染色體的睪丸決定基因是性別決定所必須，但對哺乳動物睪丸發(fā)育還是不夠的。對小鼠的研究顯示，Y染色體基因必須與常染色體的一些基因協(xié)調(diào)。當(dāng)家鼠在特殊的近親雜交實驗小鼠品系繁殖時(下右圖)

13、，在XY個體中卵巢組織發(fā)育，其中一半XY小鼠完全性別顛倒，只有卵巢作為性腺(C)；而另一半含有精巢和卵巢兩種組織(D)。每個品系小鼠Y染色體的睪丸決定基因能與自己常染色體的睪丸決定基因(Tda-1)協(xié)調(diào)，但不需要與其他品系協(xié)調(diào)。,另一個常染色體性別決定基因是 T-相關(guān)性別顛倒(T-associated sex reversal, Tas) 基因， 它與家鼠17染色體上的T/t 基因復(fù)合體隔離， 它不同的等位基因發(fā)現(xiàn)于小鼠的不同近交系中。

14、人類除Y染色體之外常染色體上的睪丸決定基因已被極少數(shù)XY，SRY+女性和XX，SRY-男性所證明，有人假設(shè)存在一個Z基因，它抑制睪丸分化，刺激卵巢形成(上左圖),四. 動物的次級性別決定㈠性別表現(xiàn)型的激素調(diào)節(jié)初級性別決定沒有形成完全的性別表現(xiàn)型，次級性別決定涉及睪丸或卵巢合成的激素引起性別表現(xiàn)型的發(fā)育。次級性別決定有兩個主要的時間：一個在器官發(fā)生的胚胎期；一個發(fā)生在成年期。若在胚胎期除去動物未分化的性腺，則出現(xiàn)雌性表現(xiàn)型，繆勒氏管

15、發(fā)育，而烏爾夫氏管退化。,雄性表現(xiàn)型的形成涉及睪丸激素的分泌: 一是抗繆勒氏管激素(AMH)，支持細(xì)胞分泌，引起繆勒氏管退化；二是睪丸酮，間質(zhì)細(xì)胞分泌，引起烏爾夫氏管分化。這兩種獨立的男性化(masculinization)系統(tǒng)是由患雄激素不敏感綜合癥病人證實的。因缺少睪丸酮受體蛋白，盡管是XY個體，具有男性生殖器，但呈雌性表現(xiàn)型。AMH是560個氨基酸組成糖蛋白，可使繆勒氏管退化；烏爾夫氏管的分化對這種激素的作用有一個短暫的敏感期(

16、右圖)，小鼠中好象Sry直接激活A(yù)MH基因的轉(zhuǎn)錄。,㈡ 中樞神經(jīng)系統(tǒng)次級性別決定最有爭議的問題是性別特異行為的發(fā)育.在鳴禽中睪丸酮被認(rèn)為是負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)腦中雄性特異的神經(jīng)元簇生長。雄的金絲雀鳴聲意味深長，雌鳥很少鳴叫。鳴叫的能力受腦中6個不同的神經(jīng)元簇(核團)的控制(右上圖),靠近神經(jīng)元見它們彼此連接。雄鳥中這些神經(jīng)元簇比雌鳥的大幾倍，雌鳥可能完全缺少某一個簇.睪丸酮在產(chǎn)生鳴聲中起重要作用，其水平的季節(jié)變化與鳥的鳴叫模式相關(guān)。成年雄鳥閹

17、割后鳴叫消失。雌鳥可通過注射睪丸酮誘導(dǎo)發(fā)聲鳴叫，腦中控制鳴叫的核團長大50-69%。顯然是性激素在其中起重要作用.睪丸酮不是唯一調(diào)節(jié)行為的類固醇，在哺乳動物腦中發(fā)現(xiàn)對雌激素敏感的神經(jīng)元, 這些神經(jīng)元位于神經(jīng)元回路的位置(右下圖), 已知它們可調(diào)節(jié)生殖行為.,第三節(jié) 果蠅的性別決定一. 果蠅中染色體性別決定果蠅和哺乳動物都用性別決定的XX/XY系統(tǒng)，但其機制不同。在果蠅中性別決定是通過平衡X染色體上的雌性決定因子和常染色體

18、上的雄性決定因子實現(xiàn)的。在二倍體細(xì)胞(1X:2A)中只有1個X染色體為雄性；在2X:2A中有兩個X染色體為雌性；因此XO果蠅是不育的.,下右圖表示不同X染色體與常染色體比率產(chǎn)生不同的性別.果蠅中可見雌雄嵌合體，這些動物一些區(qū)域是雄性，而其他區(qū)域為雌性(下圖)。當(dāng)一個X染色體從胚胎的一個細(xì)胞核中失去后產(chǎn)生這種現(xiàn)象。因為昆蟲沒有性激素控制, 每個細(xì)胞自己進(jìn)行性別“決定”。XO細(xì)胞顯示雄性特征，XX細(xì)胞顯示雌性特征。在果蠅性別決定中Y染

19、色體不起作用，只在晚期精子形成中有活性。,有關(guān)果蠅性別決定理論必須解釋X:A（常染色體）比率，有關(guān)基因突變體的研究發(fā)現(xiàn)一系列基因在發(fā)育過程中參與了性別決定過程，其級聯(lián)模型如下圖示。,二. 作為性別決定中樞的性別-致死 (sex-lethal, Sxl)基因㈠對X:A比率的解釋果蠅性別決定首先涉及辨認(rèn)X:A比率，高比率激活雌性化開關(guān)基因和Sxl，在低水平(雄性)Sxl 基因在發(fā)育早期保持失活。在XX果蠅中Sxl受精后2小時被激活，轉(zhuǎn)

20、錄的mRNA存在2小時多，一旦激活，不管X:A比率變化它將繼續(xù)存在。早期Sxl功能對胚胎起始雌性發(fā)育途徑和保持兩個X染色體合適水平的轉(zhuǎn)錄所必須。在那些Sxl 無功能的XX個體中，產(chǎn)生雄性表現(xiàn)型，X染色體轉(zhuǎn)錄更快。在XX胚胎中這種X染色體的過度刺激是致死的。,Sxl 基因這種雌性特異的轉(zhuǎn)錄是受X染色體上的“計數(shù)器”成分刺激的，它組成X:A的X部分，現(xiàn)已證實兩個這樣的計數(shù)器是X染色體基因: 無姊妹-a(sisterless-a，sis-a

21、)和無姊妹-b(sis-b)。具有這些基因的兩個副本證明對XY胚胎是致死的。在兩個sis位點一個副本同時缺失同樣對雌性是致死的。,,㈡維持Sxl 的功能在Sxl 轉(zhuǎn)錄發(fā)生后不久，性別-致死基因上的第二個啟動子被激活，它在雄性和雌性中都轉(zhuǎn)錄。但cDNA分析顯示雄性和雌性小鼠的Sxl mRNA不同，這是不同RNA加工的結(jié)果。雄性的Sxl mRNA沒有功能，雌性的編碼一個354個氨基酸的蛋白質(zhì).雄性特異的Sxl 轉(zhuǎn)錄本在48個氨基酸后

22、面有一個翻譯終止密碼(UGA), 其進(jìn)入雄性特異mRNA的不同mRNA加工過程如下圖.在雄性細(xì)胞核的轉(zhuǎn)錄本剪接成三個外顯子，終止密碼在中央外顯子中。在雌性RNA加工只產(chǎn)生兩個外顯子,而雄性特異的中央外顯子現(xiàn)在被剪接掉，作為一個大的內(nèi)含子，因此雌性特異的mRNA缺少終止密碼。,由雌性特異的Sxl 轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的蛋白質(zhì)含有兩個區(qū)域，它們對于結(jié)合 RNA是重要的，它有兩個結(jié)合蛋白質(zhì)靶區(qū)：一個是Sxl 的前-mRNA，這是在激活事件發(fā)生后保持

23、雌性路徑的機制；另一個是發(fā)育路徑中的下一個基因，性別轉(zhuǎn)換基因。,,三. 性別轉(zhuǎn)換(transformer, tra)基因Sxl 基因通過控制性別轉(zhuǎn)換基因(tra)轉(zhuǎn)錄本的加工調(diào)節(jié)體細(xì)胞的性別決定. tra可選擇地拼接于雄性或雌性.存在一種雌性特異的mRNA，還在雌性和雄性中發(fā)現(xiàn)一種非特異的mRNA。非特異的tra mRNA的第二個外顯子含有一個早期信使的終止密碼，使蛋白質(zhì)成為無功能的。這個外顯子在雌性特異信使中并不被利用(下圖

24、)。這是因為由Sxl 基因形成的雌性特異的蛋白質(zhì)在性別轉(zhuǎn)換基因前-mRNA中雌性特異的3’拼接位點，引起它們加工拼接除去第二個外顯子。如果雌性特異的轉(zhuǎn)錄本在XY果蠅中產(chǎn)生，這些果蠅變?yōu)榇菩?，非特異的轉(zhuǎn)錄本對雌性和雄性而者都沒有影響。,雌性特異的tra產(chǎn)物與tra-2協(xié)作幫助產(chǎn)生雌性表現(xiàn)型。tra-2對雄性的性別決定并不是必須的。tra-2基因只有在有雌性特異的tra蛋白存在時能結(jié)合雙性基因的轉(zhuǎn)錄本,四. 性別決定的開關(guān)基因—雙性基因(

25、doublesex gene, dsx gene)dsx在雄性和雌性中都是有活性的, 但它們的初級轉(zhuǎn)錄本是以性別特異的方式加工的。雄性和雌性的轉(zhuǎn)錄本的前3個外顯子完全相同。雌性特異轉(zhuǎn)錄本的一個外顯子是雄性特異的信使中不翻譯的3'末端。選擇的加工是性別轉(zhuǎn)換基因的結(jié)果(圖)。tra-2和雌性特異的tra-1蛋白質(zhì)特異地結(jié)合于靠近 dsx前mRNA雌性特異的3'拼接位點一個DNA序列，它們給這個位點加入非特異的拼接因子.

26、,如果沒產(chǎn)生tra，雙性基因轉(zhuǎn)錄本以雄性特異的方式拼接。利用下游的3‘拼接位點，形成雄性特異的轉(zhuǎn)錄本，編碼一種活性蛋白質(zhì)，它抑制雌性的特征，促進(jìn)雄性的特性。如果性別轉(zhuǎn)換基因產(chǎn)生有活性的，雌性特異的蛋白質(zhì)則完成不同類型的加工。性別轉(zhuǎn)換基因蛋白質(zhì)結(jié)合于雌性特異的外顯子內(nèi)的序列，并激活雌性特異的 3'拼接位點(這種選擇將阻斷雄性特異的3'結(jié)合位點)。另外一個不用的雌性特異3'結(jié)合位點的這種激活產(chǎn)生一個編碼雌性特異的轉(zhuǎn)

27、錄本的mRNA，它抑制雄性的發(fā)育.雙性基因蛋白質(zhì)的功能在果蠅生殖腺的形成中可以看到。果蠅雄性和雌性的生殖器來自分離的細(xì)胞群。,在雄性(XY)果蠅中，雌性的原基被抑制，雄性的原基分化為成體的生殖結(jié)構(gòu)。在雌性(XX)果蠅中，雄性的原基被抑制，而雌性的原基分化。如果缺少雙性基因(因此沒有一個轉(zhuǎn)錄本形成)，雄性和雌性原基都發(fā)育，產(chǎn)生中性的生殖器。所以性別特異的雙性基因轉(zhuǎn)錄本的一個作用是積極地抑制不合適生殖器的發(fā)育。,第四節(jié) 雌雄同體,

28、一. 線蟲的雌雄同體秀麗線蟲最有趣的問題之一是它的雌雄同體。在一個具有雌雄性別系統(tǒng)的有機體中怎么可能發(fā)生這種情況呢？哪些基因發(fā)生了變化？是否存在可被利用的其他解決辦法？秀麗線蟲具有兩種性別類型: 雌雄同體(hermaphroditism)和雄性。雌雄同體幼蟲產(chǎn)生精子儲存在生殖道；成體卵巢產(chǎn)生卵子到達(dá)子宮時自體受精，產(chǎn)生更多的雌雄同體和0.2%的雄性。雄性與雌雄同體交配產(chǎn)生的后代雄性和雌雄同體各半,雌雄同體是XX, 雄性是X

29、O。性別決定是由X染色體與常染色體比率決定的?？赡苡?個基因?qū)π詣e決定有功能：其中tra基因?qū)Υ菩弁w是必須的；另一些如her和fem基因?qū)π坌员憩F(xiàn)型的形成是必須的。純合突變體的tra基因?qū)X個體轉(zhuǎn)變?yōu)樾坌?；而突變體her和fem將雄性轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁w。通過創(chuàng)造攜帶這些突變的不同結(jié)合，能產(chǎn)生這種發(fā)育途徑的模式(下圖).在正常發(fā)育中這些基因可能編碼細(xì)胞間信號途徑的蛋白質(zhì).,二. 魚類中的雌雄同體雌雄同體在蠕蟲和昆蟲中比較普遍鳥類和哺

30、乳類雌雄同體是一種病理狀態(tài)，它引起不育.脊椎動物中最普遍的雌雄同體是魚類，它們顯示幾種類型的雌雄同體一些魚類是雌雄異體(gonochoristic)，即具有染色體上確定的性別，或是雄性，或是雌性。有些雌雄同體魚類是同步的，其精巢和卵巢同時存在，精子和卵子同時產(chǎn)生。在自然條件或魚缸中，這些魚形成排卵對(spawning pairs)，一條魚產(chǎn)卵后不久，另一條魚使其受精。此后，兩條魚顛倒它們的作用。在另一些雌雄同體的種類中，在發(fā)育過程

31、中動物經(jīng)歷了遺傳上程序化的性別變化。其性腺是二形的，具有雌性和雄性兩個區(qū)域，在生命的一個時期，其中一個是主要的。在雌性先熟(protogynous)的雌雄同體中，動物以雌性開始它們的生活,后來變?yōu)樾坌裕辉谛坌韵仁?protandrous),首先精巢占優(yōu)勢, 在轉(zhuǎn)變期精巢和卵巢都存在，此后卵巢占優(yōu)勢。,第五節(jié) 環(huán)境性別決定,一. 爬行類依賴溫度的性別決定爬行類在發(fā)育的一定時期卵的溫度決定性別，溫度的微小變化能引起性別比率發(fā)生重大

32、變化.通常在較低溫度(22-27℃)孵化的卵產(chǎn)生一種性別, 在較高溫度(30℃)孵化的卵產(chǎn)生另一種性別。只有一個小的溫度范圍允許從一窩卵中孵化出雄性和雌性。下圖示蜥蜴和龜類突然變溫誘導(dǎo)性別比率的變化。,二. 依賴位置的性別決定縊的性別決定取決于幼蟲固著的地點: 幼蟲固著于石頭表面將變?yōu)榇菩?；固著于雌性的管狀鼻上將變?yōu)樾坌?。在正常海水和加入管狀鼻碎片的海水中性別比率變化如下圖示。拖鞋樣蝸牛許多個體堆積在一起，于雌性接觸的將變?yōu)樾坌?/p>