宋艷芳

（東北農(nóng)業(yè)大學 動物科學技術學院，哈爾濱 150030）

在胚胎發(fā)育初期，具有雙重分化潛能的原始性腺開始分化為睪丸或卵巢。在大多數(shù)動物中兩性的發(fā)育對它們的生存和進化是必不可少的［1］。性別與家畜的經(jīng)濟用途及生產(chǎn)性能密切相關，位于Y染色體上的性別決定基因（sex region of chromosome）的發(fā)現(xiàn)和相關研究使得人們對動物性別決定有了更深入的認識［2］。動物的性別決定是以性控基因SRY為主導、多基因共同參與的一個有序調(diào)控過程，但是其調(diào)控機制尚不清晰［3］。在最初動物性別決定的研究中發(fā)現(xiàn)，位于Y染色體上的SRY基因?qū)π詣e決定起關鍵作用。在性腺發(fā)育早期SRY在XY生殖嵴的體細胞中表達，SRY基因表達開始的輕微延遲也會導致XY性別逆轉，并可以誘導支持細胞前體分化為支持細胞，而非雌性顆粒細胞［4］。XY胚胎雙潛能生殖嵴中Y連鎖基因SRY的表達可用于哺乳動物的性別鑒定。隨著對性別決定基因及其上下游調(diào)控機制的研究，陳勇等［5］的研究發(fā)現(xiàn)，SF1、WT1參與原始性腺的發(fā)育，而SRY、Sox9與睪丸發(fā)育有關，但對于動物性別決定分子調(diào)控過程人們還知之甚少。

文章對性別決定相關基因的研究及對動物性別決定分子調(diào)控機制的最新研究成果進行綜述，以期為動物性別決定調(diào)控機制的研究提供參考。

1 性別決定相關基因的研究進展

1.1 類固醇生成因子－1（SF1）

SF1參與支持細胞和間質(zhì)細胞的形成，并先于SRY基因表達［6］。在性腺早期分化階段，若SF1基因缺失會導致性腺發(fā)育不全或性腺發(fā)育停止［7］。在性腺發(fā)育后期，SF1基因可在睪丸支持細胞和睪丸間質(zhì)細胞中表達，其產(chǎn)物可以與Sox9共同作用調(diào)節(jié)抗繆勒式管激素（Amh）基因及其他性腺發(fā)育相關基因的表達水平。R.Y.Sekido等［8］對SF1基因的研究表明，SF1與Sox9基因特定序列進行結合后可上調(diào)Sox9基因表達。D.Lourenco等［9］在對人類性功能障礙類疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，SF1基因發(fā)生突變后會導致XY個體性腺發(fā)育不全而使XX個體存在原發(fā)性卵巢功能不全。

1.2 WT1

WT1基因編碼一種在卵巢顆粒細胞和睪丸支持細胞中特異性表達的核轉錄因子。WT1是一類含有鋅指結構的轉錄因子，WT1失活導致支持細胞向睪丸間轉化。Cen C.H.等［10］研究表明，WT1突變會導致小鼠性腺發(fā)育不全。WT1在RNA剪接過程中可形成兩種WT1蛋白亞型，即＋KTS、－KTS，在性腺發(fā)育過程中發(fā)揮著不同功能。－KTS亞型可以與SRY基因或SF1基因啟動子結合并激活其表達，＋KTS則參與SRY基因轉錄調(diào)控；還有研究表明，該亞型可協(xié)同SF1增強Amh基因表達［11］。

1.3 SRY

SRY是轉錄因子Sox家族的成員，該家族蛋白對細胞分化具有重要作用。SRY是Y染色體上決定生物雄性性別的基因片段，是性別決定的關鍵基因，具有高度保守的DNA結合域（HMG－box）。小鼠SRY基因的表達受轉錄和表觀遺傳學的控制，并以一種發(fā)育階段特異性的方式進行。SRY啟動子在胚胎性腺體細胞的性別決定期發(fā)生去甲基化。但其分子機制和體內(nèi)意義尚不清楚。研究表明，所有XY個體發(fā)生性別反轉的SRY基因均在HMG－box內(nèi)發(fā)生突變［12］。郝勝菊等［13］報道，小鼠體內(nèi)SRY基因的C末端區(qū)域有一個較長的富含谷氨酸的結構域，該區(qū)域具有轉錄活性，若缺失該區(qū)域則小鼠無法發(fā)育成雄性個體。人的SRY蛋白在體外只有全長才具有與DNA結合的能力。性別決定對SRY基因編碼蛋白具有高度敏感的劑量效應，最近的研究結果顯示，SRY下游基因?qū)游镄韵俜只恼{(diào)控作用與該基因的表達量有關，基因的過度表達或表達不足均能引起性別分化異常［14－16］。SRY基因僅在生殖嵴中的一小部分細胞中表達并啟動男性發(fā)育［17］。在小鼠體內(nèi)，SRY基因僅在生殖嵴的中心區(qū)域低表達，隨著性腺的發(fā)育SRY基因表達量增加，一旦性腺開始分化后將無法檢測其表達［18］。對調(diào)節(jié)SRY的因素和途徑的更好理解可能會解釋一些未診斷的XY性發(fā)育障礙。Song Y.N.等［19］研究證實Sp1為SRY轉錄的主要調(diào)控因子，若位于SRY 5′側翼區(qū)Sp1基因突變會導致兔子性反轉。V.P.Vidal等［20］已確定SRY基因與Sox9特定序列結合后可反式激活Sox9，故Sox9是SRY的靶基因。

1.4 GATA4

GATA基因編碼蛋白具有鋅指結構，可與SF1、FOG2、WT1基因協(xié)同調(diào)節(jié)性別決定基因SRY、Sox9、Amh等的表達［21－22］。在GATA基因研究中發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)GATA基因鋅指結構發(fā)生突變會導致睪丸發(fā)育畸形［23］。人體內(nèi)GATA基因缺失突變則導致外陰性別不明或陰莖長度縮短性發(fā)育疾?。?4］。最新的研究結果表明，GATA4在原始性腺上皮細胞內(nèi)表達，它不僅參與睪丸發(fā)育，還與新生殖腺嵴的形成有關。

1.5 Sox9

Sox9與SRY基因一樣都屬于Sox基因家族成員，都具有HMG－box高度保守區(qū)域，且都參與性別決定過程。對小鼠胚胎進行研究時發(fā)現(xiàn)，Sox9最初在生殖腺嵴中低表達，一旦SRY基因表達后Sox9基因在睪丸支持細胞中表達量迅速上升。通過相關試驗 已證明Sox9基因由SRY基因啟動，但在SRY基因缺失的條件下Sox9基因仍可以轉錄表達，說明還存在其他途徑調(diào)節(jié)Sox9基因表達［25］。若小鼠體內(nèi)FGF9基因突變或DaX1基因無效，會導致性反轉且Sox9基因表達量降低，但SRY基因表達量無明顯變化［26］。對小鼠體內(nèi)Sox9基因敲除或過表達均導致小鼠胚胎發(fā)生性反轉，表明Sox9在性別決定中發(fā)揮重要作用［27］。Sox基因家族主要表達于小鼠前列腺發(fā)育的初級階段。Sox9敲除導致前列腺腹側發(fā)育異常分化，提示Sox9對前列腺芽上皮的早期分化至關重要。在性腺發(fā)育過程中，Sox9通過刺激Amh的表達，在男性性別決定中起關鍵作用。

1.6 Gadd45G

Gadd45A、Gadd45B、Gadd45G是應激反應蛋白，介導細胞的多種過程，包括DNA修復、凋亡、細胞周期阻滯和衰老。它們還通過促進DNA去甲基化和MAPK信號轉導在基因激活中發(fā)揮作用［28］。在DNA去甲基化中，Gadd45將DNA修復因子引入基因特異性位點，啟動去甲基化和基因激活。Gadd45G是生長抑制和DNA損傷誘導蛋白家族中唯一一個參與SRY蛋白表達的基因。Gadd45G在性腺發(fā)育早期表達水平不高，但性別一旦開始分化其表達水平可達到最高值。Gadd45G基因缺陷的XY小鼠可導致不同程度的性別發(fā)育障礙［29］。目前尚無Gadd45G基因缺失導致人類性發(fā)育障礙的報道，但對小鼠的研究結果均表明Gadd45G是SRY基因的上游激活因子［30］。

2 性別決定調(diào)控機制研究

SRY基因是人及動物Y染色體上性別決定的核苷酸序列，是主宰性別的TDF睪丸決定因子（testis determining factor，TDF）的遺傳基礎。動物的性別決定則是以性控基因SRY基因為主導、多基因共同參與的一個有序的調(diào)控過程。目前對性別調(diào)控機制尚不清楚，但根據(jù)最新的研究結果可以對其進行簡單的分析。

對于性別決定調(diào)控機制的研究表明，Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信號級聯(lián)可以啟動SRY基因的表達，進而調(diào)節(jié)男性的性別決定。信號級聯(lián)中的基因均屬于影響性別決定的關鍵因子。在信號級聯(lián)反應中，p38 MAPK信號在生殖細胞發(fā)育后期也起著決定雄性生殖細胞命運的作用［31］。在MAPK信號轉導中，MAP3K4包含一個N端的自抑制區(qū)，它阻止底物相互作用。Gadd45G與MAP3K4結合，解除這種自抑制作用并激活MAP3K4。Gadd45G 與 MAP3K4 結 合 并 激 活MAP3K4，促進p38和c－junN端激酶的磷酸化和激 活［32］。研 究 發(fā) 現(xiàn)，MAP3K4 發(fā) 生 突 變 與Gadd45G突變導致的性別逆轉表型非常相似，且SRY表達減少并延遲。此外，p38α／β雙突變的胚胎也顯示出完全的性反轉［33］。SRY表達所需的轉錄因子GATA 4在體內(nèi)以MAPK依賴的方式與SRY啟動子結合。研究結果提示SRY表達的信號級聯(lián)：MAP3K4和Gadd45G會轉化p38MAPK通路使其磷酸化，從而激活GATA 4［34］。研究表明，GATA 4是MAPK信號與SRY調(diào)節(jié)之間聯(lián)系的媒介。性別決定之前和期間小鼠的GATA4在性腺體細胞中表達水平較高。轉基因小鼠的GATA4突變破壞了其與轉錄伙伴FOG2的相互作用能力，與Gadd45G突變體功能類似，表現(xiàn)為XY性反轉且SRY表達降低。對體細胞和豬睪丸支持細胞株的報告分析表明，GATA4磷酸化在Gadd45G突變小鼠中受到抑制，且GATA4可以激活SRY啟動子。芯片試驗結果支持GATA4激活SRY啟動子和GATA4磷酸化在體內(nèi)SRY調(diào)節(jié)中的關鍵作用。GATA4磷酸化然后結合并激活SRY啟動子以誘導其表達。當p38MAPK途徑被抑制時SRY表達受阻，導致性逆轉［29］。在胚胎發(fā)生過程中。Gadd45G在性腺體細胞中特異性表達，通過激活MAPK通路和GATA 4參與SRY正常表達，而不是促進SRY啟動子的DNA去甲基化，GATA4才是SRY表達的關鍵。

研究發(fā)現(xiàn)，SRY性別決定基因作用下動物胚胎期睪丸組織間質(zhì)細胞和足細胞中產(chǎn)生SRY1因子，該細胞因子可以激活下游啟動子，從而調(diào)控繆勒氏管發(fā)育［35］；同時SRY1細胞因子還可作用于睪丸間質(zhì)細胞，促使間質(zhì)細胞的發(fā)育并分泌雄性激素，進而使動物產(chǎn)生雄性組織器官，向雄性動物個體發(fā)育［36］。動物機體一旦缺少SRY或攜帶的SRY性別決定基因處于沉默，則性染色體X短臂上的逆性別劑量敏感基因（DSS）就會啟動轉錄程序，促進卵巢等雌性器官的出現(xiàn)，進而向雌性動物個體發(fā)育［37］。

最近在小鼠體內(nèi)的研究表明，SRY的主要作用是實現(xiàn)相關基因Sox9的充分表達，以誘導支持細胞分化，進而推動睪丸形成。SRY和類固醇生成因子1（SF1）可與Sox9的性腺特異性增強子內(nèi)Tesco的特定位點結合，協(xié)同上調(diào)Sox9基因表達［38］。Sox9基因表達是一種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，Sox9能夠維持自己的表達，并且它的持續(xù)表達可能與支持細胞的維護有關。Sox9基因與作為睪丸決定因子的SRY基因的作用一致，睪丸發(fā)育中起關鍵作用的基因（如Amh和PGD2），已被確定為Sox9基因的直接目標［39］。此外由于Sox9基因的表型在小鼠XX性腺中過度表達，Sox9被認為是SRY下游激活的唯一基因，進行下一步的性別發(fā)育［40］。

3 展望

隨著越來越多重要的調(diào)節(jié)基因被發(fā)現(xiàn)，對動物性別決定調(diào)控機制的認識也在不斷豐富。根據(jù)這一系列的研究結果，人們可以用一個簡單的思路來解釋性別決定的分子調(diào)控機制。首先SRY基因是通過Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信號級聯(lián)來調(diào)節(jié)啟動，SRY基因表達后要通過激活下游靶基因Sox9，以誘導支持細胞分化，進而促進睪丸形成。雄性在抑制卵巢發(fā)育的同時睪丸形成。目前提出的這個性別決定的思路還需要更多的試驗數(shù)據(jù)來驗證、補充。顯然，學者們還需要做更多的工作來證明所提議的級聯(lián)理論。如所提議的級聯(lián)反應中哪些刺激可以激活體細胞性腺細胞中的p38 MAPK級聯(lián)？在什么時間、什么地點表達？哪些其他靶基因是由磷酸化GATA4調(diào)控的？哪些轉錄因子受p38磷酸化的調(diào)控？相信隨著技術的進步以及科研工作的繼續(xù)，性別決定的調(diào)控機制將會越來越清晰。

兩性發(fā)育異常會導致一些常見性發(fā)育疾病的產(chǎn)生，而性別決定由多個性控基因參與調(diào)控，一旦某個基因沉默或表達失控都會影響相關基因的表達，進而導致兩性發(fā)育異常。在動物繁殖發(fā)育過程中性別調(diào)控機制研究一直是研究熱點，目前根據(jù)現(xiàn)有的研究結果對性別調(diào)控有了簡單的了解，但這樣的了解并不能全面地解釋性別決定這個復雜而又有序的過程。隨著生命科學的不斷發(fā)展，動物性別決定分子調(diào)控研究將更加深入全面地解答動物的性別決定機制謎團，為多種人類性發(fā)育疾病的治療帶來新的解決方案。