果蠅的性別決定.doc

果蠅的性別決定BIOX.CN 2005-7-7 11:19:37 來源：生命經緯果蠅的性別分化需要很多調控環(huán)節(jié)，我們先看一下總的途徑，然后再介紹細節(jié)。果蠅早期胚胎中性指數(sex index)（X：A）決定了性別的分化。與性指數相關的性別決定途徑是由Thomas Cline Baker(1984,1993)及其同事們建立的的。在些途徑中有主調節(jié)基因和系列性別特異基因，它們涉及到RNA的不同剪接，產生不同的雌性和雄性的轉錄因子。在此調節(jié)途經的第一步是由性指數(X染色體的條數和常染色體組數之比) X：A的比例決定的。性指數使轉錄因子具有特殊的濃度。而這種特殊的濃度充當了主調節(jié)基因的開關。當開關打開時RNA能正常剪切而產生下一步調節(jié)的活性轉錄因子，從而激活雌性特異基因，使胚胎發(fā)育為雌體；若開關是關閉的，那么因剪接的方式不同選擇性地產生了另一種轉錄因子，它能激活性特異基因，使胚胎發(fā)育為雄體。在討論性別決定調節(jié)途徑的細節(jié)之前，我們先來了解一下性別特異突變。性別轉換基因tra（transformer）發(fā)生突變使得X：A比率為雌性（X：A=1）的果體發(fā)育成雄性表型，但核型并不改變。雙重性別基因dsx（doublesex,）突變使個體變成為間性，而不受性染色體的控制。還有一種突變會導致一種性別致死，這就是性別致死Sxl（Sex-lethal）基因，其突變有的等位基因是隱性的，可特異導致雌性致死；而另一些等位基因是是顯性的，可導致雄性致死。無女兒da（daughterless,）基因是母體基因，對性別決定具有母體效應，da純合時母體不產生“女兒”，而“兒子”發(fā)育卻正常，這是由于其產物對Sx1的早期表達起著正調控作用。在卵產生時da若無活性，那么在受精后無論X染色體數量如何，都不能激活Sx1，結果所有的子代都向雄性方向發(fā)育，但XX個體因X-連鎖基因的劑量比XY多了一倍，因劑量不適而死亡。特大剛毛基因emc（extramacrochaetae）也是母體效應基因，其作用與da相反，是 Sx1的負調因子，emc的突變將抑制雄性方向的發(fā)育。合子中染色體上的da和emc兩個基因并不影響合子本身的性別發(fā)育。(一) 果蠅Y染色體的功能果蠅的Y染色體與精子發(fā)生有關，而尚未發(fā)現它在性別決定中有任何功能。X/O型的果蠅可以發(fā)育為雄體，Y染色體在體細胞中可以丟棄，但在初級精母細胞中都處于活躍狀態(tài)，X/O雄蠅精子發(fā)生受到嚴重的干擾，產生的精子無活動能力。Y 染色體有6個雄性可育性基因（長臂4個，短臂2個），而在X染色體上無相應的等位基因。這6個基因只轉錄，不翻譯，每個基因轉錄成一種燈刷環(huán)，這種燈刷環(huán)是一個轉錄單位，它們和一些蛋白質結合形成不同形態(tài)的RNP，分別命名為套索狀，棒錘狀，管帶狀，絲狀，球果樣結構。一個或多個燈刷燈刷環(huán)失活都會引起雄性不育?？梢娛蔷影l(fā)生不可缺少的。其特點是（1）不翻譯；（2）RNA很大，約為1500kb，（3）有Ys和Ya兩種序列。Ys是特異序列，約有2002000個拷貝；Ya是Y-裝配順序（y-associated sequence），一個家族只出現在一個環(huán)上，長約400b;(4)能形成二級結構；（5）能富集蛋白，形成RNP。Y 染色體對某些蛋白起著調控作用。 X/0雄果蠅精集中有3種蛋白（包括微管蛋白）的量明顯下降，而這些蛋白都不是Y染色體編碼的。微管蛋白的mRNA在x/0雄果蠅中并不減少，可見Y染色體可能在微管蛋白翻譯水平上起到調節(jié)的作用。X染色體上的星狀（stellate）位點編碼P17蛋白，在X/0雄蠅的精母細胞中該蛋白由于過多合成而形 成結晶，Y染色體對其有調節(jié)功能，調節(jié)位點不在燈刷環(huán)上，而在可育位點K12-K13之間。有部分Y-RNA存在核內，在精子細胞中仍存在這些RNA，它可以與DNA互補，通過反義抑制進行調節(jié)。Y-RNA的二級結構是結合蛋白所需，而且這些蛋白可能和凝聚與去凝聚的過程有關。從上面的介紹不僅是了解了果蠅Y染色的功能，而且使人們不難理解了為什么果蠅的性別決定似乎完全和Y染色體無關。(二) 性指數的作用果蠅雖然是XY型的動物，但Y染色體并不起作用，而是取決于性指數。性指數決定性別的機制是建立于卵巢和早期合子中合成的基因產物的互作。這些基因分為三類，即母體效應基因，其中da,her(hermaphrodite兩性的)為正調控因子，emc, gro(groucho喜怒的)為負調控因子。合子中表達的X-染色體上的基因和常染色體上的基因，它們的產物相互作用，為Sx1的激活提供信號。目前已搞清了其中一部分細節(jié)。母體基因產物和部分合子基因產物是HLH（helix- loop-helix）家族中的轉錄因子。它們可以是同二聚體，也可以是異二聚體。HLH蛋白可能受到其它不同二聚體蛋比例的調控，即分子因素和分母因素。在母體基因和合子基因的相互作用中，X-染色體基因產物的作用稱為分子因素（numerator elements），而常染色體基因產物的作用稱為分母因素（denominator elements）。雌性（XX）的X-連鎖的分子因素是雄性個體（XY）的二倍，而在二性中分母因素的產物量是相同的，這樣雌，雄的X：A的比率分別為1.0和0.5。性指數決定性別的機制是將合子中分子因素在兩性中的量的差別轉變?yōu)镾x1基因轉錄的“全”或“無”二個迥然不同的質的效應?，F已發(fā)現的分子因素有 sis-a（sisterless-a無姐妹-a）。Sis-b,sis-c,run( runt侏儒基因)，分母因素有dpn(deadpan 無表情的)。其中Sis-a蛋白含鋅指結構；Sis-b、Dpn 、Da、Emc蛋白均可形成HLH結構。一種可能是Sis-b和其它的分子基因產物或與Da蛋白，或相互間，或與常染色體的分母基因以濃度依賴性方式形成HLH二聚體。其中某些異二聚體將作為Sxl基因的激活轉錄因子，而有的可能以其它方式進行調節(jié)。分子基因編碼蛋白產生得越多，那么由它們形成的激活二聚體的水平了越高。在雌果蠅（X:A=1.0）中有足夠的激活二聚體去打開Sxl基因，而在雄果蠅中（X:A=0.5）轉錄因子的濃度就不足以激活開關基因Sxl。分母基因的產物和起負調控的Emc可能與母體效應基因產物，與分子基因產物形成沒有功能的二聚體。(三)Sxl基因是主開關在果蠅囊胚形成前或形成時，通過對性指數的計量決定是否打開Sx1基因。Sx1基因是性別決定的總開關，它能永遠保持在“開”和“關”的狀態(tài)。當X:A轉錄因子濃度達到一定時（X:A=1.0），Sxl基因處在“開”的狀態(tài)。而在雄體中X:A=0.5轉錄因子未能達到一定的域值，Sx1基因處于關閉狀態(tài)。Sx1基因有早期和晚期兩個啟動子（PL和PE）和8個外顯子，在第2個外顯中有翻譯的起始密碼子AUG，而在第3和第8個外顯子中有終止密碼子UGA。早期起動子是調節(jié)型的，由母體效應基因，分子、分母因子共同調控。這個啟動子開始的轉錄是選擇性的，即可以跳過第3個外顯子，這樣也就避免了中途的終止密碼子，使翻譯可以一直達到最后一個外顯子中的UGA，產生有活性的Sx1蛋白（350aa 組成）。囊胚形成后X:A轉錄因子和母體效應基因的產物已不復存在，PL再已不能被激活，而晚期啟動子PE是組成型表達的，無需母體基因及分子、分母因子的調控、激活，所以可在兩種性別的囊胚形成后開始表達，Sx1蛋白含有一定濃度的堿性氨基酸，是一種RNA-結合蛋白，它可以改變晚期啟動子產生的Sx1初始轉錄本的剪接，在雌果蠅中由于已存在早期啟動子合成的Sx1，因此可以對晚期啟動子的mRNA進行適當剪接，從而能產生有活性的Sx1，這就是Sx1的自我調節(jié)的功能。這樣Sx1的活性在雌體中得到了維持。雄體（X:A=0.5）其Sx1早期啟動子無法被激活，也就不能產生Sx1蛋白，而晚期啟動雖能啟動，但初始轉錄物就不能得到Sx1的適當剪接，第3個外顯子也被轉錄，這樣在起始點不遠的位點就出現了終止密碼，這便是雄性特異性的mRNA，只能產生一個很短沒有功能的Sx1多肽。在雌體中Sx1的自我反饋調節(jié)維持Sx1的正常表達起到了重要的作用。但還有其它的基因也涉及到維持Sx1的表達，如男性化基因vir（virilizer,），老處女基因snf（sans fille,），它們突變后Sx1因不能維持高水平的表達而阻滯雌性發(fā)育。還有一個母性效應基因叫做雌性致死fl(2)d（female-lethal-2d,)基因。其突變會影響到Sx1晚期轉錄的雌性特異剪接。(四)Sx1控制體細胞性別分化基因。在果蠅性決定的途徑中在Sx1下游的還有tra，tra-2，雙重性別基因dsx（doublesex）間性基因ix（intersex）,兩性基因her（hermaphrodite）和不育基因fru（fruitless）等。Sx1直接的靶基因是tra基因，tra在兩性的發(fā)育中均被轉錄，但只在雌果蠅中產生有功能的Tra蛋白，Sx1蛋白的存在可以改變tra基因轉錄本的剪接。一種剪接方式在雌雄兩性中都存在，那就是沒有Sx1的指導，產生的RNA的前部含有終止密碼子。最終產生的Tra蛋白是沒有功能的。在部分雌體細胞中Sx1蛋白的存在與tra mRNA前體相作用，結合在非性別專一性，3端剪接位點附近抑制了通常使用的非性別專一的3端剪切位點，當這個位點被跳越過時，便使用下一個第3個外顯子中含有的UGA，結果使約一半tra mRNA前體，產生雌性特異性剪接，形成包括全長ORF的成熟的mRNA，這種mRNA編碼有活性的Tra蛋白。Tra-2基因有多個起始位點和多腺苷加尾位點，加上選擇性剪接，就能產生很多不同的相關RNA，編碼一系列相關蛋白，這些蛋白都含有Arg-Ser富集區(qū)和一個RNA識別區(qū)域（RRM），這是幾個已知的作為RNA剪接因子的RNA 結合蛋白的特點之一，表明 tra-2的功能也與RNA剪接有關。有些tra-2 RNA只存在雄性生殖細胞中，為正常精子發(fā)生所需，此和性別決定無關。另一些tra-2的產物在兩性的體細胞中都存在，無性別差異，而只有在Tra蛋白存在對Tra-2蛋白才顯示出影響性別分化的功能。Tra可能通過與Tra-2形成某種復合體的形式共同作用，通過對dsx的mRNA前體的雌性剪接，表達為雌性異的DsxF，從而進一步控雌性化發(fā)育。dsx座位有兩種彼此排斥的表達方式，在雌性中在Tra和Tra-2的作用下，dsx的mRNA初始轉錄本中從內含子的5到其3端被切除，結果翻譯終止于外顯子4未端的UAG處，形成一個較小的蛋白DSXF；在雄性中Tra蛋白無功能，Tra-2不能與其形成復合物，dsx的剪切也就不受二者的影響，從內含子3的5端位點直接到內含子4的3端，這樣將含有終止密碼子的外顯子4也切除了，使翻譯一直進行到第6個外顯子，產生一個較大的DSXm蛋白。Tra和Tra-2調節(jié)的作用和Sx1有2點不同：（1）前者使剪接的結果存在中途的終止位點，而后者相反切除了中途終止位點，使蛋白有功能；（2）Tra和Tra-2在兩性中不同的剪接雖也產生不同的蛋白，但都有活性，僅功能不同。而Sx1的作用結果是產生有活性的Sx1和TRA,而沒有Sx1指導的剪接，Sx1和Tra都沒有活性。兩性基因ix（interser,）目前了解不多，經遺傳分析表明ix產物可與Dsx相互作用，在雌蠅中促使DSXF對雄性分化起抑制作用，是雌性分化所需的基因。her基因是母體溫度敏感基因，它在果蠅性別決定途經的前、后兩個位置上，都起到調節(jié)作用。其本身是一種具有鋅指結構的轉錄因子。在途徑的后部與Ix作用的位置相同。(五) 劑量補償作用在所有xy型的生物中，由于雌性有兩條X染色體，而雄性僅一條X染色體，那么按理說X連鎖基因表達的量雌、雄之間是不同的，雌性所具有的X-連鎖基因的產量是雄性的2倍，但實際上是相近的，這就是通過一種劑量補償機制來調節(jié)的，但不同的生物這種劑量補償機制也是不同的。果蠅的劑量補償效應仍通過Sx1蛋白來調節(jié)的。有一組基因稱為雄性特異致死效應基因（male-specific lethaleffects），這組基因已發(fā)現有4個：ms1-1、 ms1-2、ms1-3、和mle(maleless)。前3個基因都位于第2號染色體上，僅mle在第3號染色體上。用它們的抗體進行免疫反應，表明Msls蛋白在雄性的X染色體上有數百個結合位點，而在雌性X染色體上卻沒有。表明msls可能直接介導劑量補償，調節(jié)同一條X染色體上性連鎖基因。這4個基因的產物可能相互結合成異聚復合體。一系列證據表明Sx1基因通過阻止雌性X染色體的過度轉錄來調節(jié)劑量補償。Sx1功能的打開和關閉就像控制體細胞分化那樣控制劑量補償。近期用特異的多克隆抗體與X體色體的結合實驗研究了Sx1的表達，結果表明Sx1在細胞中表達的水平與msl和X染色體結合能力相一致，這就意味著Sxl的表達可能促使msl與X染色體的結合，從而抑制了x-染色體基因的過度表達。Msl-2是作為劑量補償的開關基因。也是Sx1調節(jié)目標的候選者。msl-2蛋白只在雄果蠅中存在，若在雌體中意外表達，則導致了另一些msls廣泛地積聚在X-染色體上，彼此相間排列。Sx1蛋白也是通過選擇性剪接的機制對msl-2進行負調節(jié)。在雄性中無Sx1 ，msl-2轉錄本5上游區(qū)域的一個內含子被切除，而在雌性中Sx1正好結合在此5上游內含子上，使其得以保留，而這個內含子上有終止密碼子，使翻譯過早終止，產生無功能的Msl-2。Msls的調控是在轉錄水平，通過促進雄性X染色體轉錄水平來提高基因產物的量。整個的果蠅X-