鱼类性别决定

鱼类性别决定的因素摘要：鱼类的性别决定机制极其复杂，受到外源性激素、外界环境因素和遗传因素等多方面的影响。因此，鱼类性别决定机制的研究不仅对我们控制鱼类的性别有帮助，也将使我们对脊椎动物性别决定的可塑性有一个全面的了解。该文对影响鱼类性别决定的各种因素及其研究前景和发展趋势进行综述。关键词：鱼类；性别决定；外源性激素；环境因素；遗传因素Abstract：Sexdeterminationoffishisextremelycomplexandcanbeaffectedbyexogenoushormones,environmentalfactorandgeneticsystem.Sexdeterminationresearchinfishwillhelpustoachievesexcontrolandeventuallybenefittheaquaculture.Inparticular,theresearchwillalsoprovidedimportantinsightintotheplasticityofthesexdeterminationprocessinvertebrates.Inthisarticle,wereviewvariousinfluencingfactorofsexdeterminationinfishanditsresearchprospect.Keyword：Fish;sexdetermination;exogenoushormones;environmentalfactors;geneticsystem性别决定是确定性别分化的方向,指决定未分化性腺向精巢方向发育还是向卵巢方向发育的过程。鱼类的性别决定不同于哺乳动物仅仅是由性染色体决定的，而是在遗传物质以及外部因子相互作用下实现的，其雌雄异体和一些雌雄同体以及发育过程中的性逆转类型导致了鱼类性别决定的复杂性。基于以上认识,研究鱼类性别决定及其机制,除了可以帮助人们更好地理解性染色体的进化问题和高等脊椎动物的性别决定，同时可以用来指导生产实践外.以下就影响鱼类性别决定机制的各种影响因素做一些简单的概括。1.内因对性别决定的影响1.1.染色体鱼类同高等脊椎动物相比其性染色体具有多种形式，动物的所有性染色体类型在鱼类都可以找到。一般认为鱼类染色体组型主要分为5种：(1)XX/XY型。这种类型同哺乳动物相似，也是很多鱼类所具有的染色体组型，属于异型雄鱼和同型雌鱼，如大部分鲑科鱼类。(2)ZW/ZZ型。这种类型刚好与XY型相反，雌性个体的性染色体组成为ZW、雄性个体的性染色体组成为ZZ，此时，雄性个体产生的精子的性染色体只有一种——含Z染色体，雌性个体可以产生含Z或W的两种卵子，例如花鲈(Lateolabraxjaponicus)[32]。(3)常染色体型。此种鱼类没有性染色体，其性别是由常染色体上多个基因共同决定的，例如斑马鱼。(4)ZO/ZZ和XX/XO型。这种类型属于雌雄异配型，前者为雌性配子异性，后者为雄性配子异性，例如短颌鲚(Coiliabrachygnathus)[1]。(5)X1X1X2X2/X1X2Y型。这种类型属于复性染色体决定型，例如新月鱼(Xiphophorusmaculatus)，该类型主要是由于常染色体和性染色体之间以及性染色体之间发生的染色体融合所致。已有学者提出了鱼类性染色体的转移机制(性别决定基因的转移、新的性别决定基因在常染色体上的转移、性染色体与常染色体之间的融合)。为了更好地了解性染色体的进化机制，Joseph等通过遗传图谱以及分子遗传学的方法分析了刺鱼科(Gasterosteidae)的多种性染色体型，发现雄性三刺鱼(Gasterosteusaculeatus)的19连锁群(LG19)中有异常的性染色体XY；而在九刺鱼(Pungitiuspungitius)中LG12存在异常的性染色体XY；在黑斑刺鱼(G.wheatlandi)中LG12的一个拷贝与LG19衍生的一个Y染色体发生融合，从而形成了X1X2Y染色体型；但在七刺鱼(Culaeainconstans)和四刺鱼(Apeltesquadracus)中却没有发现染色体融合现象。1.2.性别决定基因目前人们对在鱼类性别决定与分化中起关键作用的基因或染色体区域还知之甚少,研究过程也经历了在鱼类基因组中寻找哺乳动物性别基因的同源基因,逐渐转向寻找鱼类自身的性别决定基因。以下是鱼类中先后被研究的几个基因或片段,有些被证明可能与性别决定相关。1.2.1.SoxSox基因即SRY盒基因,是含有1个SRY样HMG盒的基因的统称。。Sox基因在进化上具有高度的保守性,被广泛用于人类以外的动物的性别决定机制的研究中,到目前为止已经在各类物种中克隆到40多个Sox基因,这些基因,根据其HMG-box盒的同源性程度,划分为A-J10个亚族。在国内,科学家们用兼并引物PCR的方法在黄鳝、刺鳅、斑马鱼、罗非鱼、鲤鱼、鲫鱼等鱼中都扩增到了Sox基因的同源片段,。Chang等通过Northern杂交发现，大鳞副泥鳅(Paramisgurnusdabryanus)sox9基因在大鳞副泥鳅精巢中高度表达并且和精巢的形成和分化有一定的联系[2]。Yao等[49]在石斑鱼的研究中拟揭示sox3基因是否决定配子向两种不同的方向进行，结果证明sox3基因潜在调控卵子的发生和配子的分化。到目前为止，sox基因家族普遍存在于鱼类中，并且和鱼类的性别决定机制有重要的联系。1.2.2.Dmrt1基因Dmrt1基因是Dmrt基因家族的一个重要成员，它具有一个锌指样的DNA结合结构域，称为DM结构域，在动物性别决定中发挥重要作用。在鱼类，Dmrt1已从虹鳟（Oncorhynchusmykiss）、尼罗罗非鱼、半滑舌鳎[3]、斑马鱼、青鳉等鱼类中克隆得到。Guan等在罗非鱼中的卵巢和精巢中分别克隆到了Dmrt1和DMO(DM-domaingeneinova)基因，研究发现在XX雄鱼的精巢中有Dmrt1的表达，而DMO则未检测到，由此得出Dmrt1和DMO是性别决定的下游基因，而Dmrt1则与精巢的形成有关。Nanda等发现青鳉中Dmrt1的同源基因-Dmrt1Y，此基因与Dmrt1基因同源性达到85%，含有DM结构域并且在青鳉的性别决定中起非常重要的作用。由以上研究推断Dmrt1基因广泛参与了鱼类的性别决定和分化过程。1.2.3.DAX-1基因在哺乳动物中DAX-1基因是参与性别决定的一个重要基因，现在普遍认为DAX-1基因是一个较强的转录抑制子，并且位于X染色体上的反转录区。DAX-1的拮抗作用在哺乳动物中导致其向雌性发展。Nachtigal等研究表明DAX-1可能通过抑制SF-1和WT-1的相互作用来影响性别。Wang等在罗非鱼中发现DAX-1基因在性别分化过程中含量发生显著变化，通过定量PCR发现该基因在雄性罗非鱼的大脑、肌肉、肠中的表达要高于雌性罗非鱼。目前还不能确定DAX-1是鱼类性别决定的必要基因，但其在性别决定和分化的作用值得进一步研究。1.2.4.芳香化酶基因几乎在所有的脊椎动物中都含有芳香化酶，它可以使睾酮转变成雌二醇，内源性地导致雄性向雌性逆转，在类固醇代谢过程起关键作用。哺乳动物仅有一种芳香化酶，而鱼类却有脑型和性腺型两种芳香化酶[4,5]。Kitano等对日本比目鱼(Paralichthysolivaceus)的芳香化酶的作用机制进行了研究，他们用两种不同的温度180C和27OC来饲养比目鱼，温度高的全部为雄性，同时体内的芳香化酶含量也相应的下降。以上研究表明，芳香化酶基因是影响鱼类性别决定和分化的重要因素，研究该基因的表达以及作用机制可为将来鱼类的性别控制起重要作用。1.2.5.AMH基因AMH基因被称为缪勒氏体抑制基因，它的表达使雄性体内的缪勒氏管退化，阻止其发育成雌性生殖器官。在哺乳类中，AMH参与缪勒退化，抑制性腺发育时芳香化酶的表达。鱼类虽然缺乏缪勒氏管，但是AMH在鱼类性腺的发育中具有重要的作用。研究发现在日本鳗鲡中存在一个AMH相关基因eSRS21(鳗鲡精子发生相关皮质21基因)，该基因主要在赛尔托利细胞(Sertolicells)，属于细精管的一部份，是睾丸的营养细胞。它是由促滤泡成熟激素(FSH)所启动，并在其细胞膜上有促滤泡成熟激素受体(FSHR)，在精子发生过程中哺育成长中的精子细胞中表达，并且对11-酮基睾酮进行下游调节，从而诱导精子发生，这表明AMH相关基因在生殖方面有重要功能，并且可能参与性别决定和性别分化。在斑马鱼中，已获得AMH的cDNA，并发现该基因专一地在性腺中表达，通过原位杂交，发现AMH主要在精巢的赛尔托利细胞和卵巢的卵泡层中表达。1.2.6.Cyp11a1基因cyp11a1基因编码细胞色素P450，从而调控体内类固醇激素的表达，是类固醇激素重要的调控因子，在性腺发育以及性别分化中占重要位置。在哺乳动物中cyp11a1基因主要在肾上腺以及生殖腺中表达。在成体斑马鱼中cyp11a1基因主要在肾上腺以及生殖腺中表达，与哺乳动物相同。另外，研究表明cyp11a1基因在斑马鱼早期卵母细胞的细胞质中表达，在胚胎的发育中可作为母源性的转录本存在。1.2.7.其他基因除了以上的几种基因以外，鱼类的性别决定还需要其他各种基因的调控。存在青鳉中的DMY基因，虽然并不是在所有的种系中存在，但DMY与精巢的发生和分化具有直接的关系，它的突变可以导致鱼类向雌性方向发展。Chai等研究了斑马鱼Ftz-F1同源基因ff1b在发育中的表达，认为其与斑马鱼性别分化有一定的关系。Nakamoto等在青鳉鱼中发现SF1和Foxl2对芳香化酶基因cyp19a具有调控作用，cyp19a的重要启动因子是SF1蛋白，而Foxl2蛋白可以通过SF1蛋白结合cyp19a基因的启动子，从而调节其表达。由此可以看出鱼类的性别决定机制是通过多个基因共同参与的结果。2.外因对性别决定的影响在鱼类胚胎发育过程中,原始的生殖腺同时具有向雌性和雄性发展的双向潜力,某些外部和内部因素,如水温、光照以及激素、代谢物等都可能通过某种途径改变与性别决定有关的某些生理生化过程,从而影响鱼类的性别分化。2.1.性激素自从Yamamoto用类固醇激素使鱼的性别发生逆转后,激素性逆转就被用于生产单性群体。它既可用于养殖,也能用来阐述鱼类的性别决定。性激素能定向诱导鱼类性腺分化已被普遍认同,其效果十分显著。在性分化即将开始而性别尚未完全表达出来前,性激素可控制性别的分化,改变鱼类性别。在性分化后,性激素仅能起改变副性征、抑制性腺发育的鲴将作用。生物学家曾用雌二醇使遗传雄性的青成功的转化为生理上的雌鱼,又用甲基睾酮使遗传上的雌鱼转变成生理上的雄鱼[6,7]。Feist等曾报导,在鲑科鱼类性分化过程中,体内甾类激素含量呈双峰模式。2.2.环境因素鱼类的生存环境可分成两类:理化环境和社会环境。理化环境因素包括温度、pH、光照、盐度、碱度等。在一定温度下,温度可以影响基因对性别的决定,从而导致鱼类性别的转变[8]。温度影响性别在许多鱼中都有报导,如大西洋月银汉鱼(Menidiamenidia)、牙银汉鱼(Odontesthesargentinensis)、红大麻哈鱼(Oncorhynchusnerka)、斑点叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)、矮丽鱼(Apistogrammaspp)、牙鲆(Paralichthysolivaceus)和罗非鱼(Oreochromisspp)等。在罗非鱼中,尼罗罗非鱼和奥利亚罗非鱼在高温(34～37℃)时产生较高的雄性率,而莫桑比克罗非鱼则在低温(19℃或20℃)时能增加雄鱼比例。欧洲舌齿鲈(Dicentrarchuslabrax)在低温下雄性多。研究发现,酸性条件下(pH=6.2),剑尾鱼(Xiphophorushelleri)100%发育为雄性,但在弱碱性条件下(pH=7.8),则产生98%的雌鱼。Romer和Beisenherz在黑肚花(Poeciliamelanogaster)中也