鸡性别决定机制及相关基因研究进展

　动物学杂志Chinese Journal o f Zoology 　2005,40(2) :106～111

鸡性别决定机制及相关基因研究进展

孟　和　潘玉春

(上海交通大学农业与生物学院　上海　201101)

摘要:鸡性别决定虽然同哺乳动物一样受遗传控制, 但其性染色体组成为ZZ ΠZ W , 同哺乳动物相反呈现雌异型, 并且鸡性腺性别分化同一些低等脊椎动物一样易受性激素影响。目前参照哺乳动物性别决定相关基因已获得了一些鸡同源基因序列(AMH ,SF1,DAX 1,S OX 9) 和3个可能与鸡性别决定有重要关联的候选基因(DMRT 1,ASW 和FET 1) 。对这些基因的表达模式及其在层次调控中的功能比较分析结果显示, 鸡性别决定的遗传机制同其它脊椎动物相对一致, 但也有明显的不同。关键词:鸡; 性别决定; 候选基因; 表达模式; 动物模型

中图分类号:Q95　文献标识码:A　文章编号:025023263() 022206

Progress in Mechanism

G enes in Chicken

ME NG He 　PAN Y u 2Chun

(College o f Agriculture and Biology , Shanghai Jiao Tong Univer sity , Shanghai 　201101, China )

Abstract :Birdsexhibit genetic sex determination as mammals , but their sex is determined by ZZ ∶Z W sex chrom os ome system , characterized by female heterogamety , contrary to the male heterogamety in mammals , and their g onadal development is sensitive to the estrogen as s ome lower vertebrates. Several genes (AMH ,SF1,DAX 1and S OX 9etc ) hom ogenous with genes critical for mammalian sex determination have been identified in the chicken , and com parative studies of their expression pattern and cascade regulation show that the chicken sex determination mechanism is generally consistent with other vertebrates , but still has distinctions. Subsequently , we present three candidate genes (DMRT 1,ASW and FET 1) which were detected lately and may be im portant for chicken sex determination. Chicken is an excellent animal m odel for research of sex determination and functional genome. K ey w ords :Chicken; Sex determination ; Candidate gene ; Expression pattern ;Animal m odel

　　在性别决定和分化现象普遍存在的生物体

中, 其决定机制一直是生物学领域研究的热点问题。对脊椎动物而言, 性别决定受遗传或环境因素所控制, 其中哺乳动物和鸟类的性别决定受遗传因素所决定。同哺乳动物所具有的XX ∶XY 雄异型性染色体系统不同, 鸟类具有ZZ ∶Z W 性染色体系统, 并且在雄性为ZZ , 雌性为Z W , 性染色体组成呈雌异型。而在许多低等的脊椎动物中, 温度决定性别的形成和分化, 包括所有的鳄鱼和部分海龟。在这些动物中, 缺少异型性染色体, 性别极易变化并直接受到

孵化温度的控制。

性别决定基因是通过控制胚胎性腺的发育, 即睾丸和卵巢的形成来实现性别决定的, 尽管控制的方式有所不同, 但脊椎动物性腺性别分化的形态变化是相对一致的, 因此人们相信性别决定在遗传途径上也应该相对一致, 只是

基金项目　中国博士后科学基金资助项目(N o. 2003034267) ; 3通讯作者, E 2mail :[email protected]. cn ;

第一作者介绍　孟和, 男, 博士, 副教授; 研究方向:动物分子遗传; E 2mail :[email protected]. cn 。收稿日期:2004209216, 修回日期:2004212229

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在个别主要的调控点上有所不同而已。近年来

人们对鸡性染色体特点、性激素对性别决定的影响等方面做了大量研究, 尤其是参照哺乳动物性别决定研究成果, 利用现代分子生物学手段克隆并分析了一些可能与鸡性别决定有关的基因序列及其结构特点、表达模式和功能, 丰富了对性别决定问题的认识和理解。尽管如此, 鸟类的性别决定机制还并不十分清楚。鸡生长发育和进化特点决定了其是进行性别决定机制研究理想的动物模型, 而对性别决定基因结构、功能及其调控的研究也必将推动整个功能基因组研究的深入和发展。

这可能是由于非整倍体的性染色体是鸟类胚胎的致死因子, 至少在Z O 个体是这样的。目前

[2]

三倍体性染色体鸡的证据支持Z 剂量假说。对三倍体鸡ZZ W 观察发现, 在孵化期右侧发育成睾丸、左侧发育成卵睾体(包含睾丸和卵巢组织) , 生长发育早期表型为雌性, 但性成熟后卵睾体中的卵巢组成部分退化, 成体表型变为雄[3]

性。根据观察结果推断,W 染色体具有雌性作用但能被Z 连锁雄性决定基因的剂量效应所抵抗。另外成体卵巢组织退化和表型变化显示, 在三倍体鸡ZZ W 中W 连锁的雌性决定不是显性的。

1　鸡性染色体与性别决定

比较遗传图谱发现, 染色体(ZZ ΠZ W 和Z ΠW 。在哺乳动物的, 它是哺乳动物所独

[1]

有的, 在鸟类没有发现SRY 基因。鸡的Z 染色体相对较大, 占单倍基因组的715%, 主要含一些看家基因, 也有一些有特殊功能的基因, 包括一些雄性决定基因, 如DMRT 1。鸡Z 染色体同人的9号染色体有很大的同源性, 一些基因簇同人的染色体5、8、18同源。鸡的W 染色体较小, 占单倍基因组的1%, 含大量的异染色质和许多含Xho Ⅰ和Eco R Ⅰ酶切位点的重复序列, 它复制较晚并在减数分裂期同Z 染色体很小的区域配对。

目前对鸡性别机制的理解, 更多地倾向于Z 染色体的剂量效应和W 染色体的显性效应假说。该假说认为, Z 染色体上携带雄性决定基因, 且有剂量效应, 即两个Z 染色体时为雄性, 一个Z 染色体时为雌性; W 染色体上携带着显性的卵巢决定基因, 它具有显性效应而使Z W 成为雌性。很多年以前在哺乳动物就发现Y 染色体具有决定雄性的作用, 其中比较有说

2, 即进化程度越高, 类固醇的性别决定作用越低。如在鱼、两栖类中, 性腺的性别分化极易受雌激素和雄激素影响, 在爬行动物、鸟类和有袋动物则易受雌激素影响。在哺乳动物真兽亚纲(鼠、人等) , 性腺性激素的合成和分泌发生在性腺性别分化之后, 胚胎形成期性腺的发育呈现类固醇抗性, 且在没有类固醇生成的情况下完成性腺分化, 高度进化发育的胎盘和子宫可能具有削弱雌激素参与性别决定的功能而起到保护作用。同哺乳动物真兽亚纲相比, 鸟类性腺发育是易变的, 更容易受到性激素尤其是雌激素的调控, 这已经在通过向卵中注射雌激素或阻断雌激素产生从而诱导性别反转实验得到证明。用雌二醇处理雄性ZZ 能使胚胎发育呈现雌性化, 虽然这种效应不是永久的。芳香化酶是雌激素合成途径中一个重要酶, 用芳香化酶抑制剂处理性腺尚未分化的雌性Z W 鸡胚, 使鸡胚左侧卵巢雄性化, 右侧性腺发育成睾丸, 持久

[5]

地诱导雌性向雄性的性反转。基因表达研究发现, 芳香化酶只表达在Z W 雌性性腺, 且是在强烈的性腺分化时期(6～615d ,29～30期) 。另外其他类固醇生成途径上游的酶类均表达在两性性腺髓质, 而芳香化酶则只表达在雌性性腺的髓质, 因此推断在雌性性别决定早期, W

[4]

服力的证据是在人类XXY 个体为雄性(K lintefelter 综合症) ,X O 个体为雌性(Turner 综合症) 。在鸟类由于缺乏非整倍体的性染色体个体, 所以难以验证Z 的剂量和W 显性假说。

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连锁雌性决定基因很有可能是通过激活芳香化酶表达来决定雌性性腺分化发育的。鸡性腺雌激素受体α在性腺强烈分化时期在两性性腺表

[6]

达的不对称性也很好地支持了这一推断。另外, 用睾酮和双氢睾酮处理雌性Z W 鸡胚没有发现明显的性反转, 而且雄激素受体表达发生在性腺发育晚期, 也就是说目前还没有证据证明雄激素在鸡早期性腺分化中的功能和作用。

另一种激素———抗中肾旁管激素(Anti 2M üllerian H orm one , A MH ) 同性别决定有着重要的联系。哺乳动物在性别分化过程中, 雄性胚胎的睾丸支持细胞分泌抗中肾旁管激素, 引起中肾旁管退化, 间质细胞分泌睾酮导致中肾管发育成输精管、附睾、精囊和外生殖道, 而由于雌性胚胎不分泌抗中肾旁管激素, 的。(515d ,28期) 两性胚胎性腺均有抗中肾旁管激素表达, 性腺抗中肾旁管激素的强烈表达先于性别分化, 而且在雄性呈现更高的表达。抗中肾旁管激素在两性性腺中这种表达上的差异是很重要的, 既反映了它具有促进雄性中肾旁管退化和雌性右侧中肾旁管退化作用, 也暗示了其可能具有更重要的功能, 也就是具有促进睾丸分化和发育的能力。对抗中肾旁管激素参与性别决定的证据之一是性腺中的表达先于强烈的组织学分化和在两性性腺表达的不对称性。而另外一个间接证据是, 当性别分化之前在Z W 雌性胚胎上移植胚胎期睾丸能引发雌性向雄性性反转, 结果两性性腺均能发育成睾丸

[8]

[7]

调控抗中肾旁管激素基因的表达。也有证据显示SF1能够激活SRY 基因的表达进而参与睾丸决定。这些结果显示,SF1在性腺中具有双重作用, 即未分化性腺的构成和稍晚些时间雄性性腺的分化。同哺乳动物一样,SF1在鸡胚胎未分化早期(315d ,22期) 表达于泌尿生殖器官中, 此后随着不断发育表达位置集中在发育中的性腺和肾上腺。鸡胚胎SF1基因在两性性腺中更高地表达在卵巢, 在雌性最高表达在

[9]

615d (30期) 且一直维持到815d (35期) , 此时在雄性性腺只有微弱表达。这种在雌性性腺, SF1, 因为SF1是包括子, 而且已证明在芳香化酶基因启动子区存在SF1的结合位点, 并且在鸡卵巢分化时期两个

[10]

基因在性腺髓质中均有较高的表达。当然还有一种可能是芳香化酶催化生成的雌激素上调控SF1基因的表达。SF1在雄性性腺中微弱表达可能是为了调控抗中肾旁管激素, 而抗中肾旁管激素在雌性性腺的表达将促使右侧性腺的退化。

D AX 1(d osage sensitive sex reversal , adrenal hy poplasia congenital , on the X chr om os om e , number 1) 基因编码蛋白属于孤儿核激素受体家族。人

类的DAX1基因定位在X 染色体上, 当发生不正常复制时, 其结果发生雄性到雌性的性反[11]

转。DAX1基因发生功能性突变能引起肾上腺发育不全。小鼠DAX1表达在早期尚未分化的两性性腺中, 在性腺开始分化时, 其持续表达在卵巢中, 而在睾丸中表达下降。另外转

[13]

DAX1基因小鼠发生雄性向雌性的性反转。尽管如此, 在正常情况下DAX1主要同配子形成和性腺内分泌发育有关, 且这方面的作用远远大于性别决定。鸡和哺乳动物DAX1氨基酸序列有63%的同源性, 但其氨基酸序列N 端没有重复序列。推测哺乳动物和鸡同DNA 结合的区域不同, 或者是鸡DAX1干脆不同DNA 结

[12]

。

3　鸡性别决定相关的基因

SF1(orphan nuclear receptor ster oid ogenic factor 21) 属于孤儿核激素受体家族。在哺乳动物,SF1

最初表达在两性未分化的性腺, 无义突变小鼠实验证明该基因是构成性腺和肾上腺原始细胞所必需的。在小鼠胚胎,SF1在睾丸细胞分化时期持续表达, 但在卵巢分化时期被下调控, 而且SF1在发育的雄性性腺同S OX9和WT 1协同

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合, 尽管已经有实验证明哺乳动物DAX1能够

同DNA 结合。鸡DAX1定位在1号常染色体的长臂端, 在性别分化时期在性腺被上调控, 在雌

[14]

性性腺的表达略高于雄性性腺。虽然鸡DAX1基因的表达模式整体上同小鼠类似, 但其不像在小鼠中那样在睾丸强烈分化时期被下调控。因此推测鸡DAX1可能在两性都有作用, 大概与配子形成和类固醇生成有关。

S OX9编码的蛋白同SRY 一样同属于S OX 转录因子家族。在哺乳动物、鸟类和爬行动物, S OX9在组成和结构上保守并均呈现雄性特异

与此相似,DMRT 1特异性表达在鼠胚胎的性

腺, 性别强烈分化期过后在雄性的表达远远高

[18]

于雌性。

鸡DMRT 1基因定位在Z 染色体上且与W 染色体不同源。对鸡DMRT 1基因表达的研究显示,DMRT 1特异性表达在胚胎的泌尿生殖系统, 且在性腺分化时期或在此之前,DMRT 1在

[19]

胚胎雄性性腺的表达要远远超过雌性性腺。在雄性胚胎中,DMRT 1表达在髓质束中, 这与其在睾丸形成中发挥作用, 是相吻合的。另外, DMRT 1还强烈表达在雄性中肾旁管中

性表达。在哺乳动物中的研究结果显示,S OX9在睾丸发育时期有重要的功能, 并且能同SF1和WT 1共同作用从而激活抗中肾旁管激素的表达。对鸡S OX9的研究结果显示, ) S (29～

[15]

30期) , 近的非洲鳄鱼相同, 也就是说在鸟类和鳄鱼体系,S OX9不能像在哺乳动物那样启动抗中肾旁管激素的表达。

尽管目前在鸟类发现并克隆定位了许多可能同性别决定有关的基因, 如上面所述的SF1、S OX9、AMH 等等, 且它们可能在性别决定的不同层次上发挥着不同的作用, 但由于它们都不是性连锁基因, 一定程度上决定了它们不可能在性别决定中起决定作用。近几年的研究发现了下列3个性连锁基因, 并推测它们可能像哺乳动物中的SRY 基因一样同鸡性别决定有着重要关联。它们分别是Z 性染色体上的D MRT 1基因和在W 染色体上的ASW 和FET 1基因。

目前DMRT 1(DM 2related transcription factor 1) 被认为是哺乳动物重要的性别决定基因, 由于它同果蝇和线虫中与雄性性别发育有重要关联的两个转录因子基因(doublesex 和mab 23) 同源, 而且均具有同称为DM 的DNA 结合区结合而得名。人的DMRT 1基因定位在第9号染色体的短臂端, 另外在雄性向雌性性反转的病人

[16]

中发现DMRT 1基因缺失。在人的胚胎中,

[17]

DMRT 1在性别分化时期只表达在雄性性腺。

。总

之, 鸡DMRT 1DMRT 1是迄今为

[21～23]

[20]

。

ASW 和FET 1是新近发现的两个同性别决定功能相关联基因, 它们被定位在W 染色体的长染色体的短臂端。ASW (avian sex 2specific W 2linked ) 基因编码同蛋白激酶抑制剂有部分同源的蛋白, 也叫WPK CI (on the W chr om os om e pr otein kinase C inhibitor ) 。其编码的蛋白质属于核酸水解酶HI NT 超家族, 但缺失重要的组氨酸三联体HIT (histidine triad ) 框, 这个框是AMP 连接到赖氨酸上进行脱氢反应所必需的。WPK CI 在W 染色体大约有40个重复, 几乎在所有的鸟类W 染色体上同源。在Z 染色体上有一个拷贝

的同源序列, 称作ZPK CI , 它含有HIT 框, 并编码一个真实的HI NT 酶。WPK CI 强烈地表达在雌性鸡胚胎, 特别是性腺, 而ZPK CI 则在两性胚胎表达量均较低。由于ZPK CI 编码的HI NT 蛋白能够被二聚体激活, 所以产生了一种假说。这种假说认为:在雄性中Z 染色体上的ZPK CI 基因表达产物构成同源二聚体, 该同源二聚体通过激活某个睾丸分化必需因子来调控性别; 在雌性中W 染色体上的WPK CI 基因产物和Z 染色体上的ZPK CI 基因产物构成异源二聚体, 该异源二聚体抑制了某些睾丸分化必需因子, 或者是该异源二聚体(也许是WPK CI 基因产物构成的同源二聚体) 激活了卵巢决定因

[24]

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。

最近Reed 等人在筛选和比较了多个在鸡性腺表达的基因后, 证实FET 1(female expressed

[27]

transcript 1) 基因可能是卵巢决定基因。该基因虽然定位在W 常染色质短臂端但同ASW 没有关联, 而且同Z 染色体没有任何同源。它特异性表达在雌性泌尿生殖系统, 在两性性腺的表达不对称, 在左侧性腺明显地更高, 而且恰好强烈表达在性别分化时期。FET 1编码含有一个信号序列和跨膜区的434个氨基酸残基的蛋白质, 而且同任何已知基因没有同源性。根据上述情况推测各性连锁基因在性别决定的层次调控中起关键作用, 而且同哺乳动物的SRY 基因一样, 经过长期的进化已经成为鸟类或鸟类推测ASW 和还知之甚少, aromatase 激活途径的联系等, 有待于做进一步深入研究。另外, 本研究小组新近对FET 1基因进行了PCR 和S outhern blot 检测, 结果发现在雄性鸡基因组中也存在FET 1基因, 并非象Reed 等人报道的那样FET 1基

子

[25, 26]

定机制有多种从不同角度的认识和解释, 而新近出现的鸡性别决定机制的假说

[59, 60]

, 主要着

眼点则是W 和Z 染色体间功能性的相互作用。如果这些假说真的成立的话, 那么鸟类和哺乳动物在性别决定机制就存在本质的不同, 因为迄今为止在哺乳动物中还没有发现Y 染色体(包括SRY ) 同X 染色体间有功能性互作。

鸡的胚胎发育时间短(21d ) , 人们对鸡胚胎发育过程中表型变化有了较为清楚的认识, 体外培养、观察和干预鸡胚生长发育技术也已趋于成熟。尤其近年分子生物学理论和技术的飞速发展, , [28]

RNA 干扰技术在

[30]

、基因功能研究等方面无疑有着巨大的潜力

, 而且也有实验证明其能够抑制鸡胚

[31]

胎神经系统中目标基因的表达究

[32]

。这些技术

的发展和进步将会促进鸡的功能基因组研

。另外, 鸡的基因组测序工作已接近尾声, 鸡的生物数据库如BAC 文库和EST 序列库在不断充实, 如果将这些生物信息资源和胚胎学研究相结合, 将会使鸡成为重要的研究模型, 其作用将不仅仅局限于性别决定, 而会延伸为整个功能基因组研究。参　考　文　献

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4　展　望

鸟类性别决定虽然同哺乳动物一样由遗传决定, 但是它还保留着一些低等脊椎动物的特性, 如雌激素仍然起着关键的作用, 是脊椎动物性别决定进化的转折点。它在性别决定上同哺乳动物的区别将拓宽对脊椎动物性别决定机制及其进化发展规律的理解。比较鸟类和哺乳动物发现, 脊椎动物的性别决定过程是动态和易变的, 少数关键基因在性别决定过程不同环节上同时具有多种功能。对鸡性腺分化发育研究一个重要的发现是, 分子水平上性别分化先于形态上的性别分化, 如上面提到的DMRT 1、ASW 和FET 1, 其在两性性腺表达上的差异出现在胚胎发育早期(315d ) , 而性腺性别在组织学上的强烈分化则出现在615d 。对鸟类性别决

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