动物性别决定分子调控研究进展

宋艳芳

（东北农业大学 动物科学技术学院，哈尔滨 150030）

在胚胎发育初期，具有双重分化潜能的原始性腺开始分化为睾丸或卵巢。在大多数动物中两性的发育对它们的生存和进化是必不可少的［1］。性别与家畜的经济用途及生产性能密切相关，位于Y染色体上的性别决定基因（sex region of chromosome）的发现和相关研究使得人们对动物性别决定有了更深入的认识［2］。动物的性别决定是以性控基因SRY为主导、多基因共同参与的一个有序调控过程，但是其调控机制尚不清晰［3］。在最初动物性别决定的研究中发现，位于Y染色体上的SRY基因对性别决定起关键作用。在性腺发育早期SRY在XY生殖嵴的体细胞中表达，SRY基因表达开始的轻微延迟也会导致XY性别逆转，并可以诱导支持细胞前体分化为支持细胞，而非雌性颗粒细胞［4］。XY胚胎双潜能生殖嵴中Y连锁基因SRY的表达可用于哺乳动物的性别鉴定。随着对性别决定基因及其上下游调控机制的研究，陈勇等［5］的研究发现，SF1、WT1参与原始性腺的发育，而SRY、Sox9与睾丸发育有关，但对于动物性别决定分子调控过程人们还知之甚少。

文章对性别决定相关基因的研究及对动物性别决定分子调控机制的最新研究成果进行综述，以期为动物性别决定调控机制的研究提供参考。

1 性别决定相关基因的研究进展

1.1 类固醇生成因子－1（SF1）

SF1参与支持细胞和间质细胞的形成，并先于SRY基因表达［6］。在性腺早期分化阶段，若SF1基因缺失会导致性腺发育不全或性腺发育停止［7］。在性腺发育后期，SF1基因可在睾丸支持细胞和睾丸间质细胞中表达，其产物可以与Sox9共同作用调节抗缪勒式管激素（Amh）基因及其他性腺发育相关基因的表达水平。R.Y.Sekido等［8］对SF1基因的研究表明，SF1与Sox9基因特定序列进行结合后可上调Sox9基因表达。D.Lourenco等［9］在对人类性功能障碍类疾病的研究中发现，SF1基因发生突变后会导致XY个体性腺发育不全而使XX个体存在原发性卵巢功能不全。

1.2 WT1

WT1基因编码一种在卵巢颗粒细胞和睾丸支持细胞中特异性表达的核转录因子。WT1是一类含有锌指结构的转录因子，WT1失活导致支持细胞向睾丸间转化。Cen C.H.等［10］研究表明，WT1突变会导致小鼠性腺发育不全。WT1在RNA剪接过程中可形成两种WT1蛋白亚型，即＋KTS、－KTS，在性腺发育过程中发挥着不同功能。－KTS亚型可以与SRY基因或SF1基因启动子结合并激活其表达，＋KTS则参与SRY基因转录调控；还有研究表明，该亚型可协同SF1增强Amh基因表达［11］。

1.3 SRY

SRY是转录因子Sox家族的成员，该家族蛋白对细胞分化具有重要作用。SRY是Y染色体上决定生物雄性性别的基因片段，是性别决定的关键基因，具有高度保守的DNA结合域（HMG－box）。小鼠SRY基因的表达受转录和表观遗传学的控制，并以一种发育阶段特异性的方式进行。SRY启动子在胚胎性腺体细胞的性别决定期发生去甲基化。但其分子机制和体内意义尚不清楚。研究表明，所有XY个体发生性别反转的SRY基因均在HMG－box内发生突变［12］。郝胜菊等［13］报道，小鼠体内SRY基因的C末端区域有一个较长的富含谷氨酸的结构域，该区域具有转录活性，若缺失该区域则小鼠无法发育成雄性个体。人的SRY蛋白在体外只有全长才具有与DNA结合的能力。性别决定对SRY基因编码蛋白具有高度敏感的剂量效应，最近的研究结果显示，SRY下游基因对动物性腺分化的调控作用与该基因的表达量有关，基因的过度表达或表达不足均能引起性别分化异常［14－16］。SRY基因仅在生殖嵴中的一小部分细胞中表达并启动男性发育［17］。在小鼠体内，SRY基因仅在生殖嵴的中心区域低表达，随着性腺的发育SRY基因表达量增加，一旦性腺开始分化后将无法检测其表达［18］。对调节SRY的因素和途径的更好理解可能会解释一些未诊断的XY性发育障碍。Song Y.N.等［19］研究证实Sp1为SRY转录的主要调控因子，若位于SRY 5′侧翼区Sp1基因突变会导致兔子性反转。V.P.Vidal等［20］已确定SRY基因与Sox9特定序列结合后可反式激活Sox9，故Sox9是SRY的靶基因。

1.4 GATA4

GATA基因编码蛋白具有锌指结构，可与SF1、FOG2、WT1基因协同调节性别决定基因SRY、Sox9、Amh等的表达［21－22］。在GATA基因研究中发现，小鼠体内GATA基因锌指结构发生突变会导致睾丸发育畸形［23］。人体内GATA基因缺失突变则导致外阴性别不明或阴茎长度缩短性发育疾病［24］。最新的研究结果表明，GATA4在原始性腺上皮细胞内表达，它不仅参与睾丸发育，还与新生殖腺嵴的形成有关。

1.5 Sox9

Sox9与SRY基因一样都属于Sox基因家族成员，都具有HMG－box高度保守区域，且都参与性别决定过程。对小鼠胚胎进行研究时发现，Sox9最初在生殖腺嵴中低表达，一旦SRY基因表达后Sox9基因在睾丸支持细胞中表达量迅速上升。通过相关试验 已证明Sox9基因由SRY基因启动，但在SRY基因缺失的条件下Sox9基因仍可以转录表达，说明还存在其他途径调节Sox9基因表达［25］。若小鼠体内FGF9基因突变或DaX1基因无效，会导致性反转且Sox9基因表达量降低，但SRY基因表达量无明显变化［26］。对小鼠体内Sox9基因敲除或过表达均导致小鼠胚胎发生性反转，表明Sox9在性别决定中发挥重要作用［27］。Sox基因家族主要表达于小鼠前列腺发育的初级阶段。Sox9敲除导致前列腺腹侧发育异常分化，提示Sox9对前列腺芽上皮的早期分化至关重要。在性腺发育过程中，Sox9通过刺激Amh的表达，在男性性别决定中起关键作用。

1.6 Gadd45G

Gadd45A、Gadd45B、Gadd45G是应激反应蛋白，介导细胞的多种过程，包括DNA修复、凋亡、细胞周期阻滞和衰老。它们还通过促进DNA去甲基化和MAPK信号转导在基因激活中发挥作用［28］。在DNA去甲基化中，Gadd45将DNA修复因子引入基因特异性位点，启动去甲基化和基因激活。Gadd45G是生长抑制和DNA损伤诱导蛋白家族中唯一一个参与SRY蛋白表达的基因。Gadd45G在性腺发育早期表达水平不高，但性别一旦开始分化其表达水平可达到最高值。Gadd45G基因缺陷的XY小鼠可导致不同程度的性别发育障碍［29］。目前尚无Gadd45G基因缺失导致人类性发育障碍的报道，但对小鼠的研究结果均表明Gadd45G是SRY基因的上游激活因子［30］。

2 性别决定调控机制研究

SRY基因是人及动物Y染色体上性别决定的核苷酸序列，是主宰性别的TDF睾丸决定因子（testis determining factor，TDF）的遗传基础。动物的性别决定则是以性控基因SRY基因为主导、多基因共同参与的一个有序的调控过程。目前对性别调控机制尚不清楚，但根据最新的研究结果可以对其进行简单的分析。

对于性别决定调控机制的研究表明，Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信号级联可以启动SRY基因的表达，进而调节男性的性别决定。信号级联中的基因均属于影响性别决定的关键因子。在信号级联反应中，p38 MAPK信号在生殖细胞发育后期也起着决定雄性生殖细胞命运的作用［31］。在MAPK信号转导中，MAP3K4包含一个N端的自抑制区，它阻止底物相互作用。Gadd45G与MAP3K4结合，解除这种自抑制作用并激活MAP3K4。Gadd45G 与 MAP3K4 结 合 并 激 活MAP3K4，促进p38和c－junN端激酶的磷酸化和激 活［32］。研 究 发 现，MAP3K4 发 生 突 变 与Gadd45G突变导致的性别逆转表型非常相似，且SRY表达减少并延迟。此外，p38α／β双突变的胚胎也显示出完全的性反转［33］。SRY表达所需的转录因子GATA 4在体内以MAPK依赖的方式与SRY启动子结合。研究结果提示SRY表达的信号级联：MAP3K4和Gadd45G会转化p38MAPK通路使其磷酸化，从而激活GATA 4［34］。研究表明，GATA 4是MAPK信号与SRY调节之间联系的媒介。性别决定之前和期间小鼠的GATA4在性腺体细胞中表达水平较高。转基因小鼠的GATA4突变破坏了其与转录伙伴FOG2的相互作用能力，与Gadd45G突变体功能类似，表现为XY性反转且SRY表达降低。对体细胞和猪睾丸支持细胞株的报告分析表明，GATA4磷酸化在Gadd45G突变小鼠中受到抑制，且GATA4可以激活SRY启动子。芯片试验结果支持GATA4激活SRY启动子和GATA4磷酸化在体内SRY调节中的关键作用。GATA4磷酸化然后结合并激活SRY启动子以诱导其表达。当p38MAPK途径被抑制时SRY表达受阻，导致性逆转［29］。在胚胎发生过程中。Gadd45G在性腺体细胞中特异性表达，通过激活MAPK通路和GATA 4参与SRY正常表达，而不是促进SRY启动子的DNA去甲基化，GATA4才是SRY表达的关键。

研究发现，SRY性别决定基因作用下动物胚胎期睾丸组织间质细胞和足细胞中产生SRY1因子，该细胞因子可以激活下游启动子，从而调控缪勒氏管发育［35］；同时SRY1细胞因子还可作用于睾丸间质细胞，促使间质细胞的发育并分泌雄性激素，进而使动物产生雄性组织器官，向雄性动物个体发育［36］。动物机体一旦缺少SRY或携带的SRY性别决定基因处于沉默，则性染色体X短臂上的逆性别剂量敏感基因（DSS）就会启动转录程序，促进卵巢等雌性器官的出现，进而向雌性动物个体发育［37］。

最近在小鼠体内的研究表明，SRY的主要作用是实现相关基因Sox9的充分表达，以诱导支持细胞分化，进而推动睾丸形成。SRY和类固醇生成因子1（SF1）可与Sox9的性腺特异性增强子内Tesco的特定位点结合，协同上调Sox9基因表达［38］。Sox9基因表达是一种自动调节系统，Sox9能够维持自己的表达，并且它的持续表达可能与支持细胞的维护有关。Sox9基因与作为睾丸决定因子的SRY基因的作用一致，睾丸发育中起关键作用的基因（如Amh和PGD2），已被确定为Sox9基因的直接目标［39］。此外由于Sox9基因的表型在小鼠XX性腺中过度表达，Sox9被认为是SRY下游激活的唯一基因，进行下一步的性别发育［40］。

3 展望

随着越来越多重要的调节基因被发现，对动物性别决定调控机制的认识也在不断丰富。根据这一系列的研究结果，人们可以用一个简单的思路来解释性别决定的分子调控机制。首先SRY基因是通过Gadd45G→p38MAPK→GATA4→SRY的信号级联来调节启动，SRY基因表达后要通过激活下游靶基因Sox9，以诱导支持细胞分化，进而促进睾丸形成。雄性在抑制卵巢发育的同时睾丸形成。目前提出的这个性别决定的思路还需要更多的试验数据来验证、补充。显然，学者们还需要做更多的工作来证明所提议的级联理论。如所提议的级联反应中哪些刺激可以激活体细胞性腺细胞中的p38 MAPK级联？在什么时间、什么地点表达？哪些其他靶基因是由磷酸化GATA4调控的？哪些转录因子受p38磷酸化的调控？相信随着技术的进步以及科研工作的继续，性别决定的调控机制将会越来越清晰。

两性发育异常会导致一些常见性发育疾病的产生，而性别决定由多个性控基因参与调控，一旦某个基因沉默或表达失控都会影响相关基因的表达，进而导致两性发育异常。在动物繁殖发育过程中性别调控机制研究一直是研究热点，目前根据现有的研究结果对性别调控有了简单的了解，但这样的了解并不能全面地解释性别决定这个复杂而又有序的过程。随着生命科学的不断发展，动物性别决定分子调控研究将更加深入全面地解答动物的性别决定机制谜团，为多种人类性发育疾病的治疗带来新的解决方案。