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。

Sx1基因有早期和晚期两个启动子（PL和PE）和8个外显子，在第2个外显中有翻译的起始密码子AUG，而在第3和第8个外显子中有终止密码子UGA。

早期起动子是调节型的，由母体效应基因，分子、分母因子共同调控。

这个启动子开始的转录是选择性的，即可以跳过第3个外显子，这样也就避免了中途的终止密码子，使翻译可以一直达到最后一个外显子中的UGA，产生有活性的Sx1蛋白（350aa 组成）。

囊胚形成后X:A转录因子和母体效应基因的产物已不复存在，PL再已不能被激活，而晚期启动子PE是组成型表达的，无需母体基因及分子、分母因子的调控、激活，所以可在两种性别的囊胚形成后开始表达，Sx1蛋白含有一定浓度的碱性氨基酸，是一种RNA-结合蛋白，它可以改变晚期启动子产生的Sx1初始转录本的剪接，在雌果蝇中由于已存在早期启动子合成的Sx1，因此可以对晚期启动子的mRNA进行适当剪接，从而能产生有活性的Sx1，这就是Sx1的自我调节的功能。

这样Sx1的活性在雌体中得到了维持。

雄体（X:A=0.5）其Sx1早期启动子无法被激活，也就不能产生Sx1蛋白，而晚期启动虽能启动，但初始转录物就不能得到Sx1的适当剪接，第3个外显子也被转录，这样在起始点不远的位点就出现了终止密码，这便是雄性特异性的mRNA，只能产生一个很短没有功能的Sx1多肽。

在雌体中Sx1的自我反馈调节维持Sx1的正常表达起到了重要的作用。

但还有其它的基因也涉及到维持Sx1的表达，如男性化基因vir（virilizer,），老处女基因snf（sans fille,），它们突变后Sx1因不能维持高水平的表达而阻滞雌性发育。

还有一个母性效应基因叫做雌性致死fl(2)d（female-lethal-2d,)基因。

其突变会影响到Sx1晚期转录的雌性特异剪接。

(四)Sx1控制体细胞性别分化基因。

在果蝇性决定的途径中在Sx1下游的还有tra，tra-2，双重性别基因dsx （doublesex）间性基因ix（intersex）,两性基因her（hermaphrodite）和不育基因fru（fruitless）等。

Sx1直接的靶基因是tra基因，tra在两性的发育中均被转录，但只在雌果蝇中产生有功能的Tra蛋白，Sx1蛋白的存在可以改变tra基因转录本的剪接。

一种剪接方式在雌雄两性中都存在，那就是没有Sx1的指导，产生的RNA的前部含有终止密码子。

最终产生的Tra蛋白是没有功能的。

在部分雌体细胞中Sx1
蛋白的存在与tra mRNA前体相作用，结合在非性别专一性，3＇端剪接位点附近抑制了通常使用的非性别专一的3＇端剪切位点，当这个位点被跳越过时，便使用下一个第3个外显子中含有的UGA，结果使约一半tra mRNA前体，产生雌性特异性剪接，形成包括全长ORF的成熟的mRNA，这种mRNA编码有活性的Tra蛋白。

Tra-2基因有多个起始位点和多腺苷加尾位点，加上选择性剪接，就能产生很多不同的相关RNA，编码一系列相关蛋白，这些蛋白都含有Arg-Ser富集区和一个RNA识别区域（RRM），这是几个已知的作为RNA剪接因子的RNA 结
合蛋白的特点之一，表明tra-2的功能也与RNA剪接有关。

有些tra-2 RNA只存在雄性生殖细胞中，为正常精子发生所需，此和性别决定无关。

另一些tra-2的产物在两性的体细胞中都存在，无性别差异，而只有在Tra蛋白存在对Tra-2蛋白才显示出影响性别分化的功能。

Tra可能通过与Tra-2形成某种复合体的形式共同作用，通过对dsx的mRNA前体的雌性剪接，表达为雌性异的DsxF，从而进一步控雌性化发育。

dsx座位有两种彼此排斥的表达方式，在雌性中在Tra和Tra-2的作用下，dsx的mRNA初始转录本中从内含子的5＇到其3＇端被切除，结果翻译终止于外显子4未端的UAG处，形成一个较小的蛋白DSXF；在雄性中Tra蛋白无功能，Tra-2不能与其形成复合物，dsx的剪切也就不受二者的影响，从内含子3的5＇端位点直接到内含子4的3＇端，这样将含有终止密码子的外显子4也切除了，使翻译一直进行到第6个外显子，产生一个较大的DSXm蛋白。

Tra和Tra-2调节的作用和Sx1有2点不同：（1）前者使剪接的结果存在中途的终止位点，而后者相反切除了中途终止位点，使蛋白有功能；（2）Tra和Tra-2在两性中不同的剪接虽也产生不同的蛋白，但都有活性，仅功能不同。

而Sx1的作用结果是产生有活性的Sx1和TRA,而没有Sx1指导的剪接，Sx1和Tra都没有活性。

两性基因ix（interser,）目前了解不多，经遗传分析表明ix产物可与Dsx相互作用，在雌蝇中促使DSXF对雄性分化起抑制作用，是雌性分化所需的基因。

her基因是母体温度敏感基因，它在果蝇性别决定途经的前、后两个位置上，都起到调节作用。

其本身是一种具有锌指结构的转录因子。

在途径的后部与Ix作用的位置相同。

(五) 剂量补偿作用
在所有xy型的生物中，由于雌性有两条X染色体，而雄性仅一条X染色体，那么按理说X连锁基因表达的量雌、雄之间是不同的，雌性所具有的X-连锁基因的产量是雄性的2倍，但实际上是相近的，这就是通过一种剂量补偿机制来调节的，但不同的生物这种剂量补偿机制也是不同的。

果蝇的剂量补偿效应仍通过Sx1蛋白来调节的。

有一组基因称为雄性特异致死效应基因（male-specific lethaleffects），这组基因已发现有4个：ms1-1、ms1-2、ms1-3、和mle(maleless)。

前3个基因都位于第2号染色体上，仅mle 在第3号染色体上。

用它们的抗体进行免疫反应，表明Msls蛋白在雄性的X染色体上有数百个结合位点，而在雌性X染色体上却没有。

表明msls可能直接介导剂量补偿，调节同一条X染色体上性连锁基因。

这4个基因的产物可能相互结合成异聚复合体。

一系列证据表明Sx1基因通过阻止雌性X染色体的过度转录来调节剂量补偿。

Sx1功能的打开和关闭就像控制体细胞分化那样控制剂量补偿。

近期用特异的多克隆抗体与X体色体的结合实验研究了Sx1的表达，结果表明Sx1在细胞中表达的水平与msl和X染色体结合能力相一致，这就意味着Sxl的表达可能促使msl与X染色体的结合，从而抑制了x-染色体基因的过度表达。

Msl-2是作为剂量补偿的开关基因。

也是Sx1调节目标的候选者。

msl-2蛋白只在雄果蝇中存在，若在雌体中意外表达，则导致了另一些msls广泛地积聚在X-染色体上，彼此相间排列。

Sx1蛋白也是通过选择性剪接的机制对msl-2进行负调节。

在雄性中无
Sx1 ，msl-2转录本5＇上游区域的一个内含子被切除，而在雌性中Sx1正好结合在此5＇上游内含子上，使其得以保留，而这个内含子上有终止密码子，使翻译过早终止，产生无功能的Msl-2。

Msls的调控是在转录水平，通过促进雄性X染色体转录水平来提高基因产物的量。

整个的果蝇X-连锁基因的剂量补偿调控：A信号和母体基因在雌性中激活Sx1，而Sx1使ms1-2的RNA不能适当的剪接，结果产生了无效的ms1-2蛋白，从而就不能激活msls基因，X染色体则以基础水平转录；而在雄性中Sx1蛋白无功能，msl-2可不受干扰的正确剪接，产生有活性的ms1-2，它可激活msls基因，使X染色体高水平转录，这样雄果蝇虽然只有一条X染色体，但表达的量与雌果蝇二条X染色体表达的量相同，达到了剂量平衡。

由于msls基因位于常染色体上，当常染色体套数增加msls的产量也随之增加，对X染色体表达的促进作用也更强，因此超雄（1X:3A）X染色体的活性比正常的雄性（1X：2A）更高。

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