SRY基因及其性别决定

动物学报　47(专刊):241～246,2001A cta Zoologica S i nica

SR Y 基因及其性别决定

郭亚平①　贺艳萍①　张红梅②　马恩波①3

(①山西大学生命科学系,太原030006)(②清华大学结构生物学实验室,北京100084)

摘　要　对近十年来关于脊椎动物尤其是哺乳动物的SR Y 基因及其性别决定机制的研究进展作了简要的综述。扼要阐述了哺乳动物的SR Y 基因的结构、转录、表达及其在性别决定中的作用模式及相关的基因家族。关键词　SR Y 基因　性染色体　性别决定　SOX 基因

3通讯作者　E 2mail :maenbo @

　第一作者简介　郭亚平,男,45岁,讲师。研究方向:分子进化生物学。

性别决定是胚胎发育时期一个尚未分化的胚胎性腺确定发育为睾丸或卵巢的过程。早在40年代,

通过对兔子胚胎(生殖腺刚开始分化)去势实验的研究(Jost et al .,1973),确定了哺乳动物的性别决定和性别分化的概念。他观察到所有的胚胎(无论是XX 或XY 核型)都有雌性内生殖脊而没有沃尔夫氏管的发育,所以得出结论:睾丸通过产生某种物质诱导沃尔夫氏管的发育,同时抑制穆勒氏管的发生。这些早期研究表明卵巢对于穆勒氏管的分化并非必须。因为去除未分化的哺乳动物胚胎的性腺导致雌性内生殖管道和外生殖器的发育,所以,性别决定等同于睾丸决定。人类的睾丸产生所有表现雄性外部特征所必须的激素,谢尔托立氏细胞分泌抗穆勒氏管因子,抑制穆勒氏管的发生:来迪希氏细胞分泌睾酮,诱导沃尔夫氏管的发育及雄性生殖器管的形成。

哺乳动物的睾丸决定依赖于Y 染色体的存在,XO 型的小鼠和XO 型的人并不发育出睾丸组织,而XXY 型的人和小鼠也并不因为X 染色体数目多而发育为雌性,相反,它们有睾丸的发生。这意味着Y 染色体的存在决定了睾丸的发生,从而也决定了其性别的分化。分子水平的研究表明:在Y 染色体上某一位点基因的表达,直接诱发未分化的胚胎性腺发育为睾丸,胚胎发育为雄性。这一位点的基因产物被称为睾丸决定因子,于人类命名为TDF (testis determining factor ),于小鼠命名为Tdy (testis determining gene )。Sinclair 等(1990)利用染色体步移法,在Y 染色体上发现一新基因(Sinclair et al .,1990),同年在小鼠的Y 染色体上也发现类似基因(Gubbay et al .,1990)。通过对

此基因多方面的研究,认为它是TDF 的最佳候选基因(candidate gene ),并称为SR Y 基因(人)和SR Y 基因(小鼠)。

1　SR Y 基因作为TDF 的证据

111　Southern Blotting 显示XY 型性别决定的真兽

亚纲哺乳动物的Y 染色体上都有这一保守的SR Y 同源序列。

112　SR Y 基因的定位符合作为TDF 的要求。SR Y 基因位于Y 染色体短臂距拟常染色体区界35kb 一个极小的范围内,与TDF 的位置相同。即使是以XX 染色体为遗传背景,它的存在也足以使雌性个体发育为雄性,如转SR Y 基因雌性小鼠(XX )可发育为雄性小鼠(XX )(K oopman et al .,1991)。113　SR Y 基因表达具有时间特异性和空间特异性。小鼠SR Y 基因大约在交配后1115d (睾丸形成前的极短时间)在胚胎的尿生殖脊内低水平表达。PCR 检测也表明SR Y 基因在1015d 前并不进行表达,在胎儿性腺发育阶段也不进行表达。所以,SR Y 基因在性别决定中具有开关功能(K oop 2man et al .,1990),这与Tdy 预期的功能是一致的。114　遗传学证据也表明SR Y 基因是TDF 的最佳候选基因。一例XY 女性(Jager et al .,1990),她的Y 染色体正常,她的性反转是由于SR Y 基因HM G box 丢失四个核苷酸导致HM G box 阅读框移码突变,编码了无功能的蛋白质。而这一例病人的父亲完全正常。

2　SR Y 基因的结构、定位、转录

Hua Su 等采用逆向遗传学方法对该基因的结

构、转录单位及其启动子进行了初步鉴定,他们通

过对SR Y 基因的cDNA 序列和基因组序列的比较发现,SR Y 基因无内含子结构,转录单位全长约111kb 。该基因有一多聚腺苷酸位点(AA TAAA )和两个转录起始位点,其间是一开读框架(ORF ),可编码204个氨基酸的蛋白,其中包含能与DNA 结合的HM G box 基因序列。在基因的5′端和3′端的两侧分别是长达111kb 和1kb 的富含A T 区。在SR Y 基因上游非翻译区以及富含GC 区内还有两个SR Y 蛋白质的结合位点SR Y 2CS +和SR Y 2CS 2。Ltk 、TM4及Hela 细胞的转化实验研究提示:SR Y 基因的启动子序列位于SR Y 基因上游310bp 的富含GC 区内,核心启动子序列可能小于40bp (见图1)

。

图1　SR Y 基因及侧翼序列图(鄢波等,1995)

Fig.1　SR Y gene and it ’s wing 2sequences

(Yan et al .,1995)

Ⅰ,Ⅲ:5′,3′富含AT 区(5′,3′Region of abundant AT )Ⅱ:SR Y 基因结构编码区(Region of SR Y gene structure coding )

Δ:多聚腺苷酸位点[Site of poly (A )]　A ,B :富含GC 区(Region of abundant GC ) SR Y 2CS 2,SR Y 2CS +:蛋白结合位点(site of protein 2bind )

→,→→:两个转录起始位点(Two sites of transcription

initiation )

无论是小鼠的SR Y 基因还是人类的SR Y 基因都位于Y 染色体短臂上,小鼠的SR Y 基因处于一个至少17kb 的倒置重复序列内部,SR Y 基因两侧的碱基序列几乎是等同的(图2),而人类的SR Y 基因则位于距拟常染色体区界35kb 的区段

内,两侧无倒置重复序列。由于人类SR Y 基因的特殊位置,即紧靠X 染色体和Y 染色体发生配对、交换的拟常染色体区,所以人类比小鼠更易出现由于不正常的染色体互换而造成的性反转现象。

3　SR Y 基因的表达

在大约1015d 期,小鼠胚胎的中肾部位长出一个隆起,即生殖脊,一直到大约1115d 期,无论是XX 核型还是XY 核型的小鼠胚胎,其生殖脊

是没有差异的。在1115～1215d 前,由于谢尔托立氏细胞的分化,雄性的生殖脊出现了睾丸核(K oopman ,1995)。利用PCR 反应和原位杂交的方法检测到SR Y 基因的转录产物仅出现在生殖脊细胞的1015～1215d 期间,胚胎的其它任何部位都没有SR Y 基因的转录产物(K oopman et al .,1989)

。

图2　小鼠SR Y 基因结构及定位(K oopm an ,1995)

Fig.2　Structure and orientation of SR Y gene in Mouse

(K oopm an ,1995)

SA ,SD :接头受体,接头供体(Receptor of tie 2in ,Donator of tie 2in )　右斜阴影区:倒置重复序列(Inversion repeat se 2

quence )　

:HM G box Ⅰ:单一序列区(218kb )

[Region

of single sequence (218kb )]

还发现纯合的We 基因突变的1115d 期鼠胚的尿生殖脊没有生殖细胞,然而,R T 2PCR 分析发现,它的SR Y 基因表达水平同对照组野生型的SR Y 基因

表达水平是一致的(K oopman et al .,1989)。此实验表明在小鼠的睾丸发育期间,SR Y 基因是由体细胞表达的。因为谢尔托立氏细胞是新生睾丸中首先分化出来的细胞,所以设想SR Y 基因可能是在谢尔托立氏细胞期就开始表达。XX 2XY 嵌合胚胎实验也有力地证实了这种想法,谢尔托立氏细胞产生的这些因子影响来迪希氏细胞的分化和进入雄性

生殖细胞的有丝分裂(K oopman et al .,1989)。

SR Y 基因除在生殖脊中表达外,在成体睾丸

中也表达,尽管SR Y 基因的表达在生殖脊中相对较弱,但它在成体睾丸中的表达是中等水平,而且通过Northern 杂交可检测到。与生殖脊中SR Y 基因的表达相比,成体中SR Y 基因的表达需要生殖细胞的存在(K oopman et al .,1989)。

4　SR Y 蛋白

411　SR Y 蛋白的功能区

SR Y 蛋白最明显的特征是具有HM G box 区,

它是DNA 与蛋白质结合的基元序列,SR Y 蛋白在体内与特异性DNA 序列相结合。XY 型的女性是由于SR Y 蛋白的HM G box 区的点突变减弱了SR Y 与DNA 的结合能力,这些实验证明SR Y 蛋

白与DNA 的结合对于SR Y 的雄性性别决定是必须

242动 物 学 报47卷