果蝇性别染色体的决定

果蝇的染色体性别决定

摘要：对性别决定机制的探讨一直是生命科学研究中最具吸引力和最热门的领域

之一。对两性生物而言，性别决定与分化是个体正常发育和生存不可缺少的一环，也是种族得以繁衍延续的物质基础。自古以来，人们关于性别的决定有着各种猜想。随着科学技术的发展，人们对雌性和雄性个体的形态、生理和行为的许多特征及基因产物进行研究，本质上它们在遗传信息上绝大部分是一致的，这就更引起了人们的兴趣，去揭示其中的奥秘。至今，对性别决定机制的研究已经形成了由遗传学、发育生物学、分子生物学及进化等多学科交叉的前沿研究领域。本文将对果蝇的性别决定及环境因子与性别决定的关系对性别决定机制进行阐述。

（一）、果蝇体细胞性别决定

在本世纪初，经过一系列遗传学实验结果证明了“果蝇的性别由X染色体和常染色体数的比率（X:A）决定这一重要概念的确定，即X:A的比值形成了最初的个体性别决定信号。

在果蝇和大多数昆虫中，可以获得雌雄嵌合体，为研究X染色体和性别间的联系提供了一个完美典范。对这些雌雄嵌合体的研究发现，Y染色体在果蝇性别决定中无任何作用，仅是雄性可育的一必须因素，在精子形成过程中被激活。

由X:A信号启动的果蝇性别决定包括三个不同的性别分化过程：（1）体细胞的性别分化；（2）生殖细胞的性别决定；（3）剂量补偿。这三个过程都有各自的调控体系。

研究人员研究性别分化所必须的基因及在发育过程中的位置，突变分析表明，Sex-lethal （Sxl）、transformer（tra）和transformer-2（tra-2）基因的突变可使XX个体变成雄性，但这种突变对XY雄性个体无作用。Intersex（ix）基因的突变可使XX果蝇成为间性者；doublesex （dsx）在两种性别的分化过程中都起重要作用，dsx缺失则可使XX和XY个体都发育成间性（Belote et al., 1985a）。这些基因在发育过程中位置的确定主要基于两方面：（1）对果蝇发生两个或更多突变导致的遗传交换的解释；（2）当完全缺失某一基因时，性别决定的变化。

（二）、Sxl基因——果蝇性别决定的枢纽

果蝇性别决定的第一阶段涉及X:A的比例信号。在体细胞性别决定体系中，X:A比例信号是通过性致死sex lethal（简称Sxl）基因起作用的。Sxl基因有早期PE和晚期PL两个启动子。X:A信号首先直接作用于Sxl基因的PE启动子，在雌性胚胎中启动Sxl的早期转录。对体细胞及其相应的剂量补偿过程来说，一旦这个遗传开关被确定，就不可逆地进入雌性或雄性发育模式，不再依赖于X:A比值的存在。Sxl基因的早期功能是XX胚胎启动雌性发育途径和维持两个X染色体适量转录水平所必需的。

1．X:A信号的分子、分母因素

X:A是细胞自主的信号，为严格合子型，依作用的不同被分为“分子”和“分母”计数因素。所谓分子因素就是那些位于X染色体上的基因，增加它们的拷贝数会增大X:A的比率，激活Sxl，导向雌性化发育，而降低它们的拷贝数则会减

少X:A的比值，使Sxl 无法激活而引起雄性化发育。分母因素指的是具有相反效应的一些常染色体基因。

Cline认为sisterless-a（sis-a）和sisterless-b（sis-b）是主要的两个分子基因，是Sxl

的正调控因子。改变两种性别中的sis基因数量，会使雌性缺乏应有的Sxl活性或者使雄性不适当地激活Sxl。由于Sxl同时还控制着剂量补偿过程，由错误的X染色体转录水平所造成的功能性非整倍体将使个体存活降低甚至死亡。

另一个分子因素是runt（run）基因（Duffy and Gergen,1991），它的计数作用要比sis基因弱，在胚胎中的分布不均—，只在胚胎的中央区域影响Sxl的激活。所以run可能不是所有胚胎细胞的性别决定信号成份，或者Sxl的活性需要某些因素在胚胎中的不均一分布。

Daughterless（da）是一个多效应基因，参与多个发育过程，它的母本来源产物对Sxl的早期表达起着正调控作用。在卵发生时若无da活性，形成的卵在受精后无论其X染色体数量如何，均不能激活Sxl。缺乏da并不影响XY雄性个体，但对雌性个体是致命的，使2X个体因剂量不适而死亡。因此，受精后，sis-a、sis-b、runt和da使Sxl仅在雌性胚胎中转录激活。另一个母本效应基因是extra macrochaetae（emc）。与da的作用相反，它是Sxl的一个负调控子，emc的突变对雄性有害。

由于da和emc在性别决定中的作用是严格的母本效应，其合子拷贝数不影响合子的性别发育，况且da也不是X-连锁的，所以都不能被称为X:A中的分子或分母因素。无论是雄性还是雌性合子，它们都含有相等水平的母源的da和emc基因产物。这一特点表明它们不象分子因素，因为分子因素本身的启动就是性别信号的组成部分，但却与位于常染色体上的分母因素的情形很相似，均在两种性别中保持了恒定含量。

一个主要的分母因素是dead-pan（dpn）基因。一个具有高比例的sis-b:dpn雄性个体会激活Sxl并致死；相反，具有低比例的sis-b:dpn雌性个体将无法激活Sxl并致死。这两种致死作用均与Sxl不适当的活性或非活性状态有关，但与是否带有母本来源的dpn多余拷贝无关。dpn的这种与分子因素相反，与Sxl活性相关的数量作用，以及它位于常染色体上的特点，表明了它是一个不折不扣的分母因素，只是其效应不及sis基因那么强。另一个分母因素是extra macrochaetae的基因（emc），亦为母本效应基因，其蛋白与da竞争Sxl启动子结合位点。与da的作用相反，它是Sxl的一个负调控子，emc的突变对雄性有害。

对整个果蝇个体来说，Sxl基因遗传开关的设定是相当精确的，那些Sxl表达状态与其X:A比率不符的细胞将在发育中呈生长不利而逐渐被清除。然而，Sxl最初的激活并不意味着“开”（on）状态的完全确立，其遗传功能的真正实现还需要在以后的发育过程中不断维持Sxl开/关的稳定状态。

2．Sxl功能的维持

Sxl的早期启动子PE仅在胚胎发育极早期的瞬间转录过程中起作用，此阶段的调控发生在转录水平，Sxl基因早期的转录和表达模式均为雌性专—。Sxl转录发生后不久，晚期启动子PL就被激活，Sxl就进入RNA剪接水平的调控。PL位于PE上游5kb处，在两种性别中均被激活，并贯穿于随后的发育过程，呈组成型转录模式。但对来自Sxl mRNA的cDNA 的分析表明，因差异性RNA剪接，雌雄两性的Sxl mRNA并不相同，而且在雌性中，SXL 蛋白可与自身的mRNA前体结合，并将其按雌性方式剪接成成熟mRNA，编码一个含354个氨基酸的蛋白，该蛋白与雌性特异的Sxl早期转录物的产物相同或相近，而在雄性中，由于缺乏最初的SXL蛋白，新的Sxl初级转录物按雄性方式进行剪接，雄性特异的转录物在48氨基酸后有一终止密码子（UGA），有差异的RNA剪接使该终止子包含入雄性特异mRNA 中，从而产生一无功能的雄性Sxl RNA。在雄性中，通过剪接产生3个外显子，其中终止密