A-第11章 性腺发育和性别决定

第十一章性腺发育和性别决定性别决定的机制一直是胚胎学研究的一个重大课题。在很长一段时间内人们认为环境，特别是热量和营养在性别决定中起重要作用。Correus根据孟德尔学说假设，雄性是杂合的，雌性是纯合的，则可以实现大多数物种的性别比率为1:1.20世纪初发现昆虫雌性具有XX染色体和雄性具有XY或XO染色体，证明性别决定是核的遗传产生的。现在发现环境的和内在的机制在不同物种的性别决定中起作用。第一节哺乳动物性腺的发育性腺(gonad)发育是一种独特的胚胎发育现象，其他器官原基只能分化为一种器官类型，而性腺原基通常具有两种选择：发育为卵巢(ovary)或精巢(testis)，因此决定机体将来性别发育。人类性腺原基在妊娠4周时出现于中间的中胚层，到7周前一直处于未分化状态.此时生殖嵴(genitalridge)上皮增生进入其上方的疏松结缔组织中(右图)，形成生殖索(sexcords)，妊娠6周时它包围迁入的生殖细胞。在XX和XY两种性腺中生殖索保持与上皮连接。如果胎儿是XY,生殖索到妊娠8周一直增殖并彼此愈合，形成内部的生殖索网和最远端较细的睾丸网(retetestis)。最后睾丸索与上皮脱离被一层厚的细胞外基质—白膜隔开。生殖细胞处于生殖索中，胎儿和童年期生殖索是实心的，到青春期变成中空的，形成生精小管(seminiferoustubele)，生殖细胞开始精子形成。精子通过与输出管(efferentduct)连接的睾丸网运出睾丸。这些输出管是中肾的残余物，它们将睾丸连接到乌尔夫氏管，在雄性它分化为输精管(vasdeferen)，精子通过输精管进入泄殖腔(urethra)并排出体外。在胎儿时期睾丸中的间质细胞已分化为睾丸间质细胞(Leydigcell)，它们分泌睾丸酮(testosterone);睾丸索的细胞分化为支持细胞(Sertolicell)，它们为精子提供营养和分泌抗缪勒氏管的激素。在XX性腺中，生殖索退化，很快又由上皮产生一组新的生殖索，它仅停留在性腺的外表面称为皮质生殖索(corticalsexcord)，它断裂成簇，每个围绕一个生殖细胞，此时生殖细胞变为卵(ova)，围绕的上皮生殖索将分化为颗粒细胞(granulosacell)，而卵巢间质细胞分化为卵泡膜细胞(thecalcell)，它与颗粒细胞共同形成卵泡(follicle)，每个卵泡围绕一个卵.它们分泌类固醇(steroid)激素。雌性的缪勒氏管保持完整,分化为输卵管、子宫、子宫颈和上阴道.乌尔夫氏管因为丧失了睾酮的影响而退化.右图第二节哺乳动物的性别决定一.哺乳动物染色体的性别决定㈠初级性别决定初级性别决定涉及性腺的决定，是严格由染色体决定，不受环境影响。通常雌性是XX，雄性是XY。雌性每个卵具有一个X染色体，雄性产生两种类型的精子，一半含X染色体，另一半含Y染色体。如果受精卵接受精子的X染色体，产生的个体形成卵巢，发育为雌性；如果受精卵接受精子Y染色体，产生个体形成精巢,发育为雄性。Y染色体携带一个基因编码决定因子,它组织性腺发育为精巢。如果精子既不含X染色体，也不含Y染色体(XO),那么产生的个体形成纤维性生殖腺，它既不形成精子，也不形成卵子。因此精子提供的X或Y染色体对形成性腺和保持其功能是必须的哺乳动物Y染色体对其性别决定是一个关键因子.一个有5个X染色体和1个Y染色体(XXXXXY)的人将是雄性；而只具有1个X染色体,而不具有第二个X或Y染色体的人发育为雌性,并开始形成卵巢，但其中并不含卵泡。㈡次级性别决定次级性别决定涉及性腺之外的身体表现型。雄性具有阴茎、精囊、前列腺和常见的雄性个体大小、声带软骨和肌肉系统；雌性具有阴道、子宫颈、子宫、输卵管、乳腺和常见的性别特异的个体大小、声带软骨和肌肉系统。上述第二性征是由性腺分泌的激素决定的。在缺少性腺的情况下，产生雌性的表现型，具有输卵管、子宫和阴道，而不管其染色体是XX，还是XY。哺乳动物性别决定过程如下图。精巢分泌两种激素:一种是抗缪勒氏管激素(anti-Müllerianducthormone，AMH)，抑制雌性表现型分化。第二种激素睾酮刺激雄性表现型的形成.二.哺乳动物精巢决定的Y染色体基因未分化性腺分化为精巢依赖上皮生殖索细胞中Y染色体基因的表达,通过XX和XY卵裂球制备的镶嵌小鼠证明,这种XX/XY小鼠是不育的雄性。人类睾丸决定因子(testis-determiningfactor,TDF)的基因位于Y染色体的短臂上.个体具有Y染色体短臂,无长臂,为雄性;但无短臂,有长臂为雌性。1985年短臂含有TDF基因的区域已经通过临床结合DNA杂交研究鉴定出来。人群中存在XX雄性(1/20000)和XY雌性.DNA杂交结果表明:XX雄性一个染色体上具有转位的Y染色体1区中的特异DNA,而所有检测的XY雌性丢失了Y染色体的这个区(下左图).Y染色体1区位于拟常染色体末端前面(下右图)，含有35000碱基对,其中有男性特异序列编码223氨基酸的肽,它可能是转录因子,含有HMG-box的DNA结合域.此DNA称为SRY(sex-determiningregionoftheY)基因,它发现于XY和极少XX雄性中,而XX和许多XY雌性缺如在其他XY雌性中发现SRY基因具有突变点和移码(frameshift)。如果SRY真的编码主要的睾丸决定因子，那么应期望它在睾丸刚分化或分化期间直接在生殖嵴中起作用，这已在小鼠同源染色体的研究中得到证实.小鼠的这个基因(Sry)也与睾丸的出现有关，它存在于XX雄性中，而在XY雌性中缺如。Sry基因在小鼠性腺刚分化为睾丸之前或分化期间在未分化性腺的体细胞中表达，这是在小鼠胚胎中唯一看到这个基因表达的时间和地点。Sry是睾丸决定因子基因的最有效证据来自转基因小鼠(下图).如果Sry对诱导睾丸形成起作用，那么将SryDNA插入一个正常XX小鼠的合子,将引起XX小鼠形成睾丸.将包括Sry基因的DNA中14000个碱基对取下显微注射到刚受精小鼠合子的原核中，注射了含有Sry序列的小鼠胚胎发育出睾丸、雄性的附属器官和阴茎，但没有形成有功能的精子。因为在XXY小鼠和人类男性中2个X染色体的存在将阻止精子的形成。因此有理由认为Sry/SRY是哺乳动物Y染色体上主要的睾丸决定基因。三.在精巢决定中的常染色体基因Y染色体的睾丸决定基因是性别决定所必须，但对哺乳动物睾丸发育还是不够的。对小鼠的研究显示，Y染色体基因必须与常染色体的一些基因协调。当家鼠在特殊的近亲杂交实验小鼠品系繁殖时(下右图)，在XY个体中卵巢组织发育，其中一半XY小鼠完全性别颠倒，只有卵巢作为性腺(C)；而另一半含有精巢和卵巢两种组织(D)。每个品系小鼠Y染色体的睾丸决定基因能与自己常染色体的睾丸决定基因(Tda-1)协调，但不需要与其他品系协调。另一个常染色体性别决定基因是T-相关性别颠倒(T-associatedsexreversal,Tas)基因，它与家鼠17染色体上的T/t基因复合体隔离，它不同的等位基因发现于小鼠的不同近交系中。人类除Y染色体之外常染色体上的睾丸决定基因已被极少数XY，SRY+女性和XX，SRY-男性所证明，有人假设存在一个Z基因，它抑制睾丸分化，刺激卵巢形成(上左图)四.动物的次级性别决定㈠性别表现型的激素调节初级性别决定没有形成完全的性别表现型，次级性别决定涉及睾丸或卵巢合成的激素引起性别表现型的发育。次级性别决定有两个主要的时间：一个在器官发生的胚胎期；一个发生在成年期。若在胚胎期除去动物未分化的性腺，则出现雌性表现型，缪勒氏管发育，而乌尔夫氏管退化。雄性表现型的形成涉及睾丸激素的分泌:一是抗缪勒氏管激素(AMH)，支持细胞分泌，引起缪勒氏管退化；二是睾丸酮，间质细胞分泌，引起乌尔夫氏管分化。这两种独立的男性化(masculinization)系统是由患雄激素不敏感综合症病人证实的。因缺少睾丸酮受体蛋白，尽管是XY个体，具有男性生殖器，但呈雌性表现型。AMH是560个氨基酸组成糖蛋白，可使缪勒氏管退化；乌尔夫氏管的分化对这种激素的作用有一个短暂的敏感期(右图)，小鼠中好象Sry直接激活AMH基因的转录。㈡中枢神经系统次级性别决定最有争议的问题是性别特异行为的发育.在鸣禽中睾丸酮被认为是负责调节脑中雄性特异的神经元簇生长。雄的金丝雀鸣声意味深长，雌鸟很少鸣叫。鸣叫的能力受脑中6个不同的神经元簇(核团)的控制(右上图),靠近神经元见它们彼此连接。雄鸟中这些神经元簇比雌鸟的大几倍，雌鸟可能完全缺少某一个簇.睾丸酮在产生鸣声中起重要作用，其水平的季节变化与鸟的鸣叫模式相关。成年雄鸟阉割后鸣叫消失。雌鸟可通过注射睾丸酮诱导发声鸣叫，脑中控制鸣叫的核团长大50-69%。显然是性激素在其中起重要作用.睾丸酮不是唯一调节行为的类固醇，在哺乳动物脑中发现对雌激素敏感的神经元,这些神经元位于神经元回路的位置(右下图),已知它们可调节生殖行为.第三节果蝇的性别决定一.果蝇中染色体性别决定果蝇和哺乳动物都用性别决定的XX/XY系统，但其机制不同。在果蝇中性别决定是通过平衡X染色体上的雌性决定因子和常染色体上的雄性决定因子实现的。在二倍体细胞(1X:2A)中只有1个X染色体为雄性；在2X:2A中有两个X染色体为雌性；因此XO果蝇是不育的.下右图表示不同X染色体与常染色体比率产生不同的性别.果蝇中可见雌雄嵌合体，这些动物一些区域是雄性，而其他区域为雌性(下图)。当一个X染色体从胚胎的一个细胞核中失去后产生这种现象。因为昆虫没有性激素控制,每个细胞自己进行性别“决定”。XO细胞显示雄性特征，XX细胞显示雌性特征。在果蝇性别决定中Y染色体不起作用，只在晚期精子形成中有活性。有关果蝇性别决定理论必须解释X:A（常染色体）比率，有关基因突变体的研究发现一系列基因在发育过程中参与了性别决定过程，其级联模型如下图示。二.作为性别决定中枢的性别-致死(sex-lethal,Sxl)基因㈠对X:A比率的解释果蝇性别决定首先涉及辨认X:A比率，高比率激活雌性化开关基因和Sxl，在低水平(雄性)Sxl基因在发育早期保持失活。在XX果蝇中Sxl受精后2小时被激活，转录的mRNA存在2小时多，一旦激活，不管X:A比率变化它将继续存在。早期Sxl功能对胚胎起始雌性发育途径和保持两个X染色体合适水平的转录所必须。在那些Sxl无功能的XX个体中，产生雄性表现型，X染色体转录更快。在XX胚胎中这种X染色体的过度刺激是致死的。Sxl基因这种雌性特异的转录是受X染色体上的“计数器”成分刺激的，它组成X:A的X部分，现已证实两个这样的计数器是X染色体基因:无姊妹-a(sisterless-a，sis-a)和无姊妹-b(sis-b)。具有这些基因的两个副本证明对XY胚胎是致死的。在两个sis位点一个副本同时缺失同样对雌性是致死的。㈡维持Sxl的功能在Sxl转录发生后不久，性别-致死基因上的第二个启动子被激活，它在雄性和雌性中都转录。但cDNA分析显示雄性和雌性小鼠的SxlmRNA不同，这是不同RNA加工的结果。雄性的SxlmRNA没有功能，雌性的编码一个354个氨基酸的蛋白质.雄性特异的Sxl转录本在48个氨基酸后面有一个翻译终止密码(UGA),其进入雄性特异mRNA的不同mRNA加工过程如下图.在雄性细胞核的转录本剪接成三个外显子，终止密码在中央外显子中。在雌性RNA加工只产生两个外显子,而雄性特异的中央外显子现在被剪接掉，作为一个大的内含子，因此雌性特异的mRNA缺少终止密码。由雌性特异的Sxl转录本产生的蛋白质含有两个区域，它们对于结合RNA是重要的，它有两个结合蛋白质靶区：一个是Sxl的前-mRNA，这是在激活事件发生后保持雌性路径的机制；另一个是发育路径中的下一个基因，性别转换基因。三.性别转换(transformer,tra)基因Sxl基因通过控制性别转换基因(tra)转录本的加工调节体细胞的性别决定.tra可选择地拼接于雄性或雌性.存在一种雌性特异的mRNA，还在雌性和雄性中发现一种非特异的mRNA。非特异的tramRNA的第二个外显子含