鞘翅目昆虫性别决定的研究进展

王家晋，廖菘凯，黄家豪，陈 辉

(华南农业大学 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，林学与风景园林学院，广东 广州 510642)

生物两性的产生是发育和进化生物学研究的重大课题，不仅涉及到物种的生存和发育，而且关系着物种的种群繁衍和进化，在物种产生和进化中性别决定发挥着至关重要的作用[1]。性别决定是胚胎分化成雄性或雌性发育过程[2]，其中包括初级信号、关键基因等一系列内外因素的调控[3]。昆虫作为种类最为丰富、性别分化最为特殊的一类生物，性别决定基因的级联效应、性别决定级联通路基因特异性表达和剪接、性别决定通路未知因子、环境等因素都直接或间接决定和影响昆虫性别的分化，从而形成不同性别决定通路模式。Sánchez[4]依据昆虫性别决定通路初始信号的来源，将昆虫性别决定机制分为合子型(zygotic)，由遗传差异决定性别；母体型(maternal),由昆虫母体决定性别；环境决定型(environmental)，由环境条件决定性别。上游初始信号诱导和调控下游性别决定基因的表达，构成昆虫性别决定通路的基本框架(图1)。同时，昆虫性别决定又受剂量补偿(dosage compensation)、补偿性性别决定(complementary sex determiner)和M因子(M factor)的调控。

注:A.鞘翅目昆虫赤拟谷盗(T.castaneum)性别决定通路[11-13]；B.双翅目昆虫黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)性别决定通路[3]；C.鳞翅目昆虫家蚕(Bombyx mori)性别决定通路[14]；D.膜翅目昆虫西方蜜蜂(Apis mellifera)性别决定通路[15]。

鞘翅目昆虫是昆虫纲中最具多样性的一个类群[5-10]，近年来鞘翅目昆虫性别决定机制的研究集中于赤拟谷盗(Triboliumcastaneum)等昆虫，研究内容也局限于性别决定基因的类型，性别决定基因tra，tra-2→dsx作用模式，以及性别决定基因在性别分化中的作用等方面。本文综述了国内外鞘翅目昆虫性别决定基因的研究进展、性别决定基因的功能及其相互作用，以及决定基因在昆虫发育中的作用和机制。

1 性别决定初始信号和性别决定基因

昆虫性别决定级联通过基因特异性表达和选择性剪接调节性发育和性行为，并伴随着一系列性别特异性现象[16-17]。赤拟谷盗(T.castaneum)tra/fem前体mRNA在雌虫翻译得到tra蛋白，促使受精卵的tra前体mRNA发生雌性特异性剪接，得到雌性特异蛋白dsxF；而雄虫可能存在一种未知的M因子，抑制tramRNA的翻译，减少tra的转录或抑制tra表达，导致tra初期蛋白缺失，使tra编码无功能的蛋白质，促使dsx发生雄性特异性剪接，得到雄性dsxM蛋白。尽管不同昆虫性别决定级联的起始信号相差甚远，但级联核心基因却相对保守[18-19]，性别决定核心调控基因dsx几乎在所有昆虫中被发现。目前，已有大量研究揭示了性别决定基因在鞘翅目昆虫性别分化中的作用[20-24]，并对性别决定级联基因鉴定和功能进行了验证(表1)。

表1 鞘翅目昆虫已鉴定性别决定基因

2 性别决定基因的级联效应

dsx基因位于性别决定级联底部，行使决定体细胞性别的功能，具有保守性。由于初始信号在不同物种间具有差异性，性别决定级联上游基因显示出不同的作用方式。Shukla等[11-13]在赤拟谷盗(T.castaneum)中获得与黑腹果蝇(D.melanogaster)dsx，tra和tra-2同源的基因。dsx属于DM结构域基因家族，在许多动物性别决定或性别分化中发挥作用[32-34]。dsx蛋白包含2个功能域：DNA结合域(DM或OD1)和二聚结构域(OD2)。DM结构域属于锌指结构，存在于由Dmrt相关转录因子组成的DM超家族组多个基因中，具有锌螯合和启动子结合的保守氨基酸残基[35-37]。dsx上游基因transformer(tra)属于一类SR型蛋白，序列含有较多的精氨酸(R)和丝氨酸(S)残基，是一种进化非常迅速的基因。tra存在自动调节结构域CAM，这个结构域存在于除黑腹果蝇外所有tra基因。鞘翅目昆虫中CAM结构域位于基因的N端，且与部分双翅目和膜翅目昆虫同源[38]。tra-2是一种含有RNA-binding motif(RRM)结构域和富含SR(丝氨酸/精氨酸)区域的蛋白质(图2)，并与dsx前体mRNA第4外显子(雌性特异性外显子)的剪接增强子(ESE)结合而发挥作用，不同昆虫的tra-2基因在RRM结构域中具有保守性[39]。dsx、tra和tra-2在不同物种间的结构相似性反映了昆虫性别决定基因的基本特征。

注:A.dsx基因结构域分布：鞘翅目昆虫赤拟谷盗(T.castaneum)、Gnatocerus cornutus、Photinus pyralis、山松大小蠹(Dendroctonus ponderosae)dsx基因蛋白质序列的多重比对显示，黑色框内保守区域分别为OD1和OD2结构域；B.tra基因结构域分布，鞘翅目昆虫独角仙(Trypoxylus dichotomus)、Photinus pyralis、Cyclommatus metallifer、蜂箱小甲虫(Aethina tumida)dsx基因蛋白质序列的多重比对显示，黑色框内保守区域为CAM结构域；C.tra-2基因结构域分布：鞘翅目昆虫赤拟谷盗(T.castaneum)、米象(Sitophilus oryzae)、Photinus pyralis、Diabrotica virgifera dsx基因蛋白质序列的多重比对显示，黑色框内保守区域分别为RS1、RRM和OD2结构域。

3 性别决定基因的特异性表达和剪接

tra基因通过调控dsx的前体mRNA，对雌性的性别决定和雌性选择性剪接的维持起着至关重要的作用。雌性tra调节自身前体mRNA的选择性剪接，以确保雌性tra蛋白的持续生产；而雄性中可能存在一种未知的M因子，抑制tra前体mRNA的翻译和选择性剪接，产生截短且无功能的tra蛋白，因此导致dsx前体mRNA发生雄性选择性剪接，产生雄性特异性dsxM蛋白。然而，在很多昆虫中M因子的位置并不固定，且序列没有保守性，作用方式也不尽相同[40]。tra-2在雌性和雄性中均表达，具有非性别特异性，且表达量在所有虫态没有明显差异。tra-2对tra和dsx均有调控作用，tra-2促进tra前体mRNA进行雌性选择性剪接，抑制雄性dsx前体mRNA的雌性选择性剪接；tra-2和tra对tra前体mRNA选择性剪接的共同调控，确保了性别决定的严格调控。tra-2蛋白富含丝氨酸和精氨酸的蛋白既是剪接激活因子，也是剪接抑制因子[41-42]。由此Shukla和Palli提出赤拟谷盗性别决定级联架构，即tra-2作用于tra和dsx的前体mRNA，并调控选择性剪接，dsx作用于下游的靶点决定体细胞性别的分化和功能发挥。

4 影响鞘翅目昆虫性别决定的因素

昆虫性别决定基因的表达也受激素的影响和相互作用，dsx与保幼激素(juvenile hormone)存在联合互作。Gotoh Hiroki等[43]对鞘翅目昆虫Cyclommatusmetalliferdsx基因与保幼激素(JH)的相互作用进行了研究，首次证明了性别决定基因和保幼激素(JH)信号通路之间的因果联系。雌性特有的dsxF使雌性下颌骨对保幼激素(JH)敏感性下降，而雄性特有的dsxM则使雄性对保幼激素(JH)敏感性增大。因此，C.metallifer出现下颌骨形态的典型性二型现象，即雄性下颌骨长，雌性下颌骨短。对dsx基因进行沉默后，保幼激素(JH)处理可以刺激雌性的下颌骨生长，而雄性下颌骨对保幼激素(JH)虽仍有一定的敏感性，但雄性个体的下颌骨明显变小，即性别特异性的dsx蛋白降低了雌性对保幼激素的敏感性，增加了雄性对JH的敏感性。

同时，研究发现环境温度和内共生细菌也可影响昆虫的性别决定[44-45]。沃尔巴克氏体(Wolbachia)是一类母性遗传的革兰氏阴性细胞内共生菌，广泛存在于昆虫、蜘蛛和螨等节肢动物体内，是昆虫体内分布最广的细胞内共生菌[46]。王阿旻等[47]在喂食杂拟谷盗(T.confusum)的面粉中加入四环素，利用抗生素去除体内沃尔巴克氏体，经处理后雌性与雄性交配后的产卵率为0%。这说明沃尔巴克氏体的去除诱导杂拟谷盗繁殖不亲和性，也诱导胞质不亲和、孤雌生殖、雄性的雌性化、雄性胚胎致死和增强雌性繁殖力等[48-49]。

此外，营养、光照、种群密度等外在因素与染色体组成、性别决定级联均与鞘翅目昆虫性别决定关系密切，通过一系列相互作用共同调控鞘翅目昆虫性别决定，形成鞘翅目昆虫性别分化多样性[50-52]。

5 性别决定级联在鞘翅目昆虫性别分化中的作用

性别决定级联不但控制昆虫的性别分化，而且作用下游或其他基因，调节昆虫生长发育。dsx、tra和tra-2基因与发育、繁殖和生存密不可分，dsx基因的沉默影响赤拟谷盗卵黄蛋白原(Vg)的产生[53]，在促进卵母细胞生长分化、转运金属离子、脂质、甲状腺素、维生素A、类胡萝卜素和核黄素等方面发挥着重要作用[54-55]。Vg在脂肪体合成1个或多个前体[56]，通过受体介导的内吞作用可被卵黄蛋白原受体(VgRs)摄取[57-58]。dsx与Vg的相互作用与其他昆虫具有相似性，雌性dsx蛋白(dsxF)促进Vg表达，雄性dsx蛋白(dsxM)降低Vg表达[59]。tra基因在赤拟谷盗幼虫末期的表达是蛹和成虫性器官结构发育的先决条件，当幼虫tra被沉默，性器官呈现明显缺陷，或出现两性中间表型，如雌性成虫出现雄性特有的刚毛。tra-2基因沉默后赤拟谷盗成虫经自由交配与产卵，出现少数虫卵无法孵化或发育过程中胚胎死亡现象。tra在鞘翅目昆虫发育中的作用主要是调控性别的选择性剪接和性器官的发育，tra-2则与tra共同调控性别的选择性剪接和胚胎的发育，从而影响下游dsx基因的选择性剪接，控制卵黄发育和精子发生。

性二型是昆虫的显著特征，也是昆虫形态多样性的体现[60]，鞘翅目昆虫配偶选择、交配竞争、种群扩散和捕食等特性驱动性二型的自然选择，宽大的口器有利于雄性在配偶竞争中取得优势，细长的四肢让昆虫捕获猎物时成功率更高。昆虫两性形态分化是基因表达差异的体现，性二型受性别决定级联基因的调控，其中dsx是性二型的关键基因，在鞘翅目昆虫Onthophagustaurus、Onthophagussagitarius、独角仙(Trypoxylusdichotomus)和C.metallifer中得到充分验证[61-63]。dsx对鞘翅目昆虫Gnatoceruscornutus下颌骨的性二型具有重要作用，雌性幼虫dsx沉默后比野生型具有更宽大的下颌骨，而雄性幼虫dsx沉默后下颌骨显著变小[64]。dsx对其他鞘翅目昆虫性二型的影响具有相似性，证实性别决定级联在很大程度上影响鞘翅目昆虫两性的形态分化。

6 问题和展望

鞘翅目昆虫性别决定的tra，tra-2→dsx模式，tra的自我调节和tra-2的协调作用，共同作用于下游dsx基因的选择性剪接和性别分化，从而形成鞘翅目昆虫特异的性别决定通路和性别决定机制。dsx作为性别决定级联末端基因在所有昆虫中高度保守，且tra，tra-2→dsx的调控模式在很多昆虫中存在共性，成为昆虫性别分化普遍遵循的表达模式。虽然鞘翅目昆虫的性别决定机制研究在近年来取得了一些进展，但研究尚处于起步阶段，也存在一些问题。

鞘翅目昆虫性别决定机制中起始信号，作用机制等仍没有较为深入的进展。Shukla与Palli认为模式昆虫赤拟谷盗(T.castaneum)性别决定为XX/XY系统，与果蝇具有相似性，然而没有直接证据证明赤拟谷盗(T.castaneum)的初始信号为X：A(即剂量补偿效应)。鞘翅目害虫在我国广泛分布且危害巨大，加强对鞘翅目初始信号、基因互作机制深入的研究，对揭示鞘翅目昆虫性别决定级联的功能和机理具有重要意义。

性别决定基因除tra、tra-2、dsx外，其他与性别相关的基因(如fru、sxl、ix、Hox等)在鞘翅目昆虫中尚未深入探究。目前赤拟谷盗(T.castaneum)、G.cornutus和C.metallifer性别决定基因的研究，均围绕dsx、tra等进行，然而其他相关性别决定基因的研究有助于完善鞘翅目昆虫性别决定通路，为其他非模式昆虫的性别决定研究提供理论基础。

赤拟谷盗M因子的发现对鞘翅目雄性性别决定的研究具有很大帮助，许多昆虫Y染色体上的M因子已被鉴定，但由于M因子的不保守性，国内外仍没有关于鞘翅目M因子详尽的研究结果。M因子是一种分子标记，可用于性别鉴定，若能在鞘翅目昆虫中明确M因子，则能在难以从肉眼辨别性别的物种中找到一个稳定而准确的性别鉴定方法，从而为鞘翅目害虫的生物防治提供便利。

随着鞘翅目更多昆虫全基因组测序工作的完成，性别决定相关基因得到有效注释，特定性别决定基因的克隆，性别特异性剪接体的发现，影响性别分化剪接体的功能验证，都为进一步阐述鞘翅目昆虫性别决定的分子机制和进化带来极大的帮助，也将是未来鞘翅目昆虫研究的热点。