果蝇的性别决定

果蝇的性别决定

2005-7-7 11:19:37 来源：生命经纬

果蝇的性别分化需要很多调控环节，我们先看一下总的途径，然后再介绍细节。果蝇早期胚胎中性指数(sex index)（X：A）决定了性别的分化。与性指数相关的性别决定途径是由Thomas Cline Baker(1984,1993)及其同事们建立的的。在些途径中有主调节基因和系列性别特异基因，它们涉及到RNA的不同剪接，产生不同的雌性和雄性的转录因子。

在此调节途经的第一步是由性指数(X染色体的条数和常染色体组数之比) X：A的比例决定的。性指数使转录因子具有特殊的浓度。而这种特殊的浓度充当了主调节基因的开关。当开关打开时RNA能正常剪切而产生下一步调节的活性转录因子，从而激活雌性特异基因，使胚胎发育为雌体；若开关是关闭的，那么因剪接的方式不同选择性地产生了另一种转录因子，它能激活性特异基因，使胚胎发育为雄体。

在讨论性别决定调节途径的细节之前，我们先来了解一下性别特异突变。性别转换基因tra（transformer）发生突变使得X：A比率为雌性（X：A=1）的果体发育成雄性表型，但核型并不改变。双重性别基因dsx（doublesex,）突变使个体变成为间性，而不受性染色体的控制。还有一种突变会导致一种性别致死，这就是性别致死Sxl（Sex-lethal）基因，其突变有的等位基因是隐性的，可特异导致雌性致死；而另一些等位基因是是显性的，可导致雄性致死。无女儿da （daughterless,）基因是母体基因，对性别决定具有母体效应，da纯合时母体不产生“女儿”，而“儿子”发育却正常，这是由于其产物对Sx1的早期表达起着正调控作用。在卵产生时da若无活性，那么在受精后无论X染色体数量如何，都不能激活Sx1，结果所有的子代都向雄性方向发育，但XX个体因X-连锁基因的剂量比XY多了一倍，因剂量不适而死亡。特大刚毛基因emc （extramacrochaetae）也是母体效应基因，其作用与da相反，是Sx1的负调因子，emc的突变将抑制雄性方向的发育。合子中染色体上的da和emc两个基因并不影响合子本身的性别发育。

(一) 果蝇Y染色体的功能

果蝇的Y染色体与精子发生有关，而尚未发现它在性别决定中有任何功能。X/O型的果蝇可以发育为雄体，Y染色体在体细胞中可以丢弃，但在初级精母细胞中都处于活跃状态，X/O雄蝇精子发生受到严重的干扰，产生的精子无活动能力。

Y 染色体有6个雄性可育性基因（长臂4个，短臂2个），而在X染色体上无相应的等位基因。这6个基因只转录，不翻译，每个基因转录成一种灯刷环，这种灯刷环是一个转录单位，它们和一些蛋白质结合形成不同形态的RNP，分别命名为套索状，棒锤状，管带状，丝状，球果样结构。一个或多个灯刷灯刷环失活都会引起雄性不育。可见是精子发生不可缺少的。其特点是（1）不翻译；（2）RNA很大，约为1500kb，（3）有Ys和Ya两种序列。Ys是特异序列，约有200—2000个拷贝；Ya是Y-装配顺序（y-associated sequence），一个家族只出现在一个环上，长约400b;(4)能形成二级结构；（5）能富集蛋白，形成RNP。

Y 染色体对某些蛋白起着调控作用。X/0雄果蝇精集中有3种蛋白（包括微管蛋白）的量明显下降，而这些蛋白都不是Y染色体编码的。微管蛋白的mRNA 在x/0雄果蝇中并不减少，可见Y染色体可能在微管蛋白翻译水平上起到调节的作用。X染色体上的星状（stellate）位点编码P17蛋白，在X/0雄蝇的精母细胞中该蛋白由于过多合成而形成结晶，Y染色体对其有调节功能，调节位点不在灯刷环上，而在可育位点K12-K13之间。有部分Y-RNA存在核内，在精子细胞中仍存在这些RNA，它可以与DNA互补，通过反义抑制进行调节。Y-RNA 的二级结构是结合蛋白所需，而且这些蛋白可能和凝聚与去凝聚的过程有关。从上面的介绍不仅是了解了果蝇Y染色的功能，而且使人们不难理解了为什么果蝇的性别决定似乎完全和Y染色体无关。

(二) 性指数的作用

果蝇虽然是XY型的动物，但Y染色体并不起作用，而是取决于性指数。性指数决定性别的机制是建立于卵巢和早期合子中合成的基因产物的互作。这些基因分为三类，即母体效应基因，其中da,her(hermaphrodite两性的)为正调控因子，emc, gro(groucho喜怒的)为负调控因子。合子中表达的X-染色体上的基因和常染色体上的基因，它们的产物相互作用，为Sx1的激活提供信号。目前已搞清了其中一部分细节。

母体基因产物和部分合子基因产物是HLH（helix- loop-helix）家族中的转录因子。它们可以是同二聚体，也可以是异二聚体。HLH蛋白可能受到其它不同二聚体蛋比例的调控，即分子因素和分母因素。在母体基因和合子基因的相互作用中，X-染色体基因产物的作用称为分子因素（numerator elements），而常染色体基因产物的作用称为分母因素（denominator elements）。雌性（XX）的X-连锁的分子因素是雄性个体（XY）的二倍，而在二性中分母因素的产物量是相同的，这样雌，雄的X：A的比率分别为1.0和0.5。性指数决定性别的机制是将合子中分子因素在两性中的量的差别转变为Sx1基因转录的“全”或“无”二个迥然不同的质的效应。

现已发现的分子因素有sis-a（sisterless-a无姐妹-a）。Sis-b,sis-c,run( runt 侏儒基因)，分母因素有dpn(deadpan 无表情的)。其中Sis-a蛋白含锌指结构；Sis-b、Dpn 、Da、Emc蛋白均可形成HLH结构。一种可能是Sis-b和其它的分子基因产物或与Da蛋白，或相互间，或与常染色体的分母基因以浓度依赖性方式形成HLH二聚体。其中某些异二聚体将作为Sxl基因的激活转录因子，而有的可能以其它方式进行调节。

分子基因编码蛋白产生得越多，那么由它们形成的激活二聚体的水平了越高。在雌果蝇（X:A=1.0）中有足够的激活二聚体去打开Sxl基因，而在雄果蝇中（X:A=0.5）转录因子的浓度就不足以激活开关基因Sxl。分母基因的产物和起负调控的Emc可能与母体效应基因产物，与分子基因产物形成没有功能的二聚体。

(三)Sxl基因是主开关

在果蝇囊胚形成前或形成时，通过对性指数的计量决定是否打开Sx1基因。Sx1基因是性别决定的总开关，它能永远保持在“开”和“关”的状态。当X:A 转录因子浓度达到一定时（X:A=1.0），Sxl基因处在“开”的状态。而在雄体中X:A=0.5转录因子未能达到一定的域值，Sx1基因处于关闭状态。