鱼类性别决定机制及相关基因研究进展_李云航

文稿收到日期：2011-11-03 基金项目：国家科技支撑项目（2011BAD13B01）和中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（东2009M05号）资助。作者简介：李云航（1988—），男，硕士研究生，从事鱼类养殖生态学研究。E-mail ：princelyh@

鱼类性别决定机制及相关基因研究进展

李云航 孙 鹏

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部海洋与河口渔业重点开放实验室）

中国上海市军工路300号 邮编：200090

李云航

（上海海洋大学水产与生命学院）

中国上海市临港新城沪城环路39号 邮编：201306

【提要】 鱼类性别决定机制是脊椎动物中最复杂的。

同高等脊椎动物一样，鱼类性别决定的基础依然是遗传基因。鱼类的性别控制对于水产养殖有着十分重要的指导意义。目前用于生产实践的鱼类人工性别控制方法有很多，但大多数仍然处于探索与实验阶段，理论上的作用机理仍未研究透彻。文章旨在通过对鱼类性别决定机制、性别决定相关基因等方面国内外研究进展的阐述，为鱼类性别控制、调控养殖鱼类的经济性状如生长率和个体大小等，提供有益的参考资料。

李云航等，2011。鱼类性别决定机制及相关基因研究进展，《现代渔业信息》杂志，26（12）：10-15。

关键词：鱼类；性别决定；性染色体；性别基因

第 26 卷 第 12 期2011 年 12 月现 代 渔 业 信 息

MODERN FISHERIES INFORMATION Vol.26 No.12Dec.，2011

与其他脊椎动物相比，鱼类分布广，种类多，同时也拥有最为多样的性别决定方式。鱼类性别决定机制因为其在脊椎动物系统进化中的承前启后关键地位，而一直被作为研究的热点之一［1］。自上世纪九十年代开始，分子生物学技术发展步伐的突飞猛进为鱼类性别决定的研究提供了条件，同时已经成为研究鱼类性别决定的重要方法。

鱼类性别决定的基础同高等脊椎动物一样，仍然是遗传基因。其不同之处在于许多鱼类中，常染色体上的基因也与性别决定相关［2-6］，而不是明显地集中于性染色体上。这使得鱼类性别决定机制的研究相较于其他脊椎动物更加困难。但是这也说明鱼类性别决定机制的研究对于揭示整个脊椎动物性别决定机制的形成及进化途径具有十分重要的理论价值［7-10］。因此，作者旨在通过对鱼类性别决定机制、性别决定相关基因、环境因子对性别决定作用等方面国内外研究进展的阐述，为鱼类性别控制、调控养殖鱼类的经济性状如生长率和个体大小等，提供有益的参考资料。

1 鱼类性别决定

性别决定是指决定未分化性腺向精巢还是向卵巢方向

发育的过程；而性别分化则是指建立功能型性别、性别二态型和次级性征的所有形态和生理变化［11］。

1.1 性染色体的判别

大多数鱼类的性染色体由于处于进化的原始状态，因此常采用细胞学以外的基因标记法、人工雌核发育、诱发性逆转、种间杂交和分子杂交等方法确定配子同型或配子异型［1，6，12-15］。最早的基因标记法工作是20世纪20年代，Winge 证明了虹鳉（Poecilia reticulata ）具有性连锁基因，并证明该鱼为雄性配子异型。除虹鳉外，仅见青鳉（Oryzias latipes ）和斑点叉尾（Ictalurus punctatus ）具有性连锁基因［16］

。人工雌核发育是一种无融合或假融合的生殖方式，同种或异种精子进入卵内，但是不参与发育，只起到诱发作用，因而卵子完全是在雌核控制下发育成子代的。通过人工雌核发育，若所有后裔均为雌性，则暗示该种的雌体为配子同型；如果得到的雌体和雄体数量比接近1∶1，则表明该种的雌体为配子异型［17］。目前通过人工雌核发育已证明至少10余种鱼具有性染色体［18］。

1.2 性染色体的类型

自Nogusa 最早用细胞学手段发现鱼类性染色体之后，对鱼类核型分析和染色体显带的研究越来越多，但仅仅发现了极少数鱼的性染色体。鱼类的性染色体具有多样性，除较为常见的XX/XY 型、ZZ/ZW 型外，还有XO/XX 型和复性染色体型。另外，也有人报道ZO/ZZ 型性染色体的存在。

由现有的各方面资料来看，一般认为鱼类性别的性染

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色体决定类型主要有5种：

（1）XX/XY型，雌性同配、雄性异配型，这是一种最为常见的性染色体决定类型。研究发现大多数鱼类的性染色体属于此种类型。如胡鲇［19］（Clarias fuscus）、尼罗罗非鱼［19］（Oreochromis niloticus）、青鳉（tipes）等［20］。

（2）ZW/ZZ型，雌性异配、雄性同配型，具有此种类型性染色体的鱼类如大鳞副泥鳅（Paramisgurnus dabryanus）［21］、半滑舌鳎［22］（Cynoglossus semilaevis）。

（3）某些种类一个性别少1条性染色体，如XX/XO为雄性配子异配型；ZO/ZZ型为雌性配子异配型。

（4）X1X1X2X2/X1X2Y型，即复性染色体型，这种类型的性染色体仅发现于鱼类中，花鳅［23］（Cobitis taenia complex）等属于此类。

（5）常染色体型，如斑马鱼［24］（Brachydanio rerio）。这种是以现有技术手段未能发现任何异型性染色体，其性别决定可能主要依靠常染色体。

有些鱼类甚至存在更为复杂的，与以上任何一种性染色体组型都不符合的性染色体类型。斑剑尾鱼（Xiphophorus maculatus）有三条性染色体：W、X、Y，其中WY、WX和XX个体表现为雌性，XY和YY个体表现为雄性。研究表明这种鱼的祖先具有XX/XY性别决定系统，其性染色体异常是常染色体基因与性染色体相互作用、基因突变与染色体重排的结果。

鱼类的性别决定还有一个特点，那就是鱼类性染色体的出现与否及性染色体的种类与它们的系统进化地位无关。在亲缘关系较近的种类中，可能会具有完全不同的性染色体类型［9，10，25-27］。例如尼罗罗非鱼为雌性同配（XX），雄性异配（XY）；而奥利亚罗非鱼则为雄性同配（ZZ），雌性异配（WZ）。

2 鱼类性别决定相关基因研究

随着分子生物学技术的发展，鱼类性别决定相关基因的研究取得了一些重要进展。在鱼类性别决定的分子机制研究中，人们对鱼类与哺乳动物性别决定基因的同源基因展开研究，这为从分子水平上阐明动物的性别决定和性腺分化机制奠定了基础。其中，研究较多的有芳香化酶基因、Vaxa基因、Sox基因家族和Dmrt基因等。但是，很多在其它脊椎动物中与性别决定相关的基因，在鱼类两性中并未发现差异。因此，目前的研究逐渐向寻找鱼类自身性别决定基因方面展开。

2.1 Dmrt基因

Dmrt基因家族的一些成员在包括脊椎动物和非脊椎动物的许多物种中参与了性别决定和性腺分化，因此是第一个已知保守的性别相关基因家族。该基因家族成员编码产物都有一个高度保守的锌指样DNA结合基序DM结构域［28］。Dmrt 最初是在果蝇（Drosophila melanogaster）中发现［29］，后来在哺乳类［30，31］、鱼类［32，33］、鸟类［34］、两栖类［35］、爬行类［36］等动物中也陆续发现了该基因家族。Raymond等首先在人类睾丸cDNA文库中分离到这类特异基因，分析发现这类特异基因与果蝇的Doublesex（DSX）基因和线虫的Mab-3基因一样，都含有一个锌指样的DNA结合结构域DM-domain，同时因为在睾丸中发现，于是命名为Dmrt（DM domain gene expressed in testis）。其中Dmrt1是一个性别决定和性腺分化的相关转录因子编码基因，被认为是脊椎动物中最原始的性别相关基因，为继Sry、Sox9之后发现的又一个性别相关的重要基因。该基因是目前发现从果蝇、线虫到小鼠、人类唯一保守的性别决定相关基因，是脊椎动物的性别决定与分化的主基因。在小鼠的胚胎中，Dmrt1在雌雄生殖期的早期都有表达，随后睾丸中表达量增加，而卵巢中表达量减弱［37］。在淡水龟类中，Dmrt1基因在雄性的表达量也较雌性高［36］，而通过RT-PCR可以在鳄鱼胚胎泌尿系统的早期检测到Dmrt1的表达，随着性腺的发育，雄性的表达量明显较雌性的高［38］。目前在很多鱼类中都克隆到了Dmrt1基因，并发现其与雄性性腺分化有关。鱼类中，Dmrt基因家族的功能变化很大，其很多成员都有明显的组织特异性，与性别分化有着一定的联系。Matsuda等通过对青鳉Y染色体上的性别相关区段的分析，发现了一个Dmrt1基因的拷贝，即Dmrt1Y，在青鳉胚胎发育、幼鱼及成鱼阶段仅在雄性中特异性地表达。与雄性性别相关的Dmrt1基因已在多种鱼类中克隆并得到证实，例如，虹鳟Dmrt1的表达就呈现出雄性特异现象［35］；在河豚（Inia geoffrensis）、鲶鱼中，Dmrt1也具有精巢高表达的两性差异表达模式。在海水鱼类中，有关Dmrt1基因的报道比较少，仅见到在石斑鱼［39］和黑鲷［40］等中的相关研究，结果也显示出精巢表达强于卵巢的两性差异。Dmrt基因家族另一成员Dmrt4基因在一些鱼类中也存在两性差异表达，如在青鳉和河豚中，Dmrt4基因在精巢中表达高而卵巢中表达较低［41，42］；而在罗非鱼中，Dmrt4却在卵巢中特异性表达［43］。

2.2 芳香化酶基因

鱼类性类固醇激素主要包括雄激素和雌激素，雄激素能促进雄性器官和副性征发育，而雌激素不仅能促进雌性生殖器官和第二性征的发育、成熟，维持其正常状态，且能引起雌性动物出现动情期变化。芳香化酶（aromatase）是催化雄激素向雌激素转化的一个关键酶，它能够催化某些雄激素（如睾酮和雄烯二酮）转化为雌激素［44］。因此生物体内芳香化酶的活性和分布能反映雌激素的生物合成状况。在芳香化反应过程中，细胞色素P450芳香化酶起主导作用，对调节整个性类固醇激素的平衡有重要意义。因此，对于芳香化酶的研究主要集中于细胞色素P450芳香化酶。在大多数哺乳动物中，细胞色素P450芳香化酶由cyp19（或称P450arom）单基因编码，该基因属于细胞色素P450基因家族，其氨基酸序列具有明显的细胞色素P450基因家族的特征，含有I-螺旋区、跨膜区、Ozol’s肽和亚铁血红素结合区［45］。cyp19基因的表达受组织特异性的启动子调控，组织特异性表达是其表达模式的最大特点。人类cyp19基因包含有一个30kb的编码区和一个93kb的调节区，以单拷贝位于