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Sox9基因参与动物性别决定与分化的分子机制

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鲁东大学学报(自然科学版) Ludong University Journal(Natural Science Edition) , +”+‘’、 {综述} Sox9基因参与动物性别决定与分化的分子机制 陈 维,王昌留 (鲁东大学生命科学学院,山东烟台264039) 摘要:Sox9基因参与动物多种生理活动的,其最主要的功能还是性别决定.笔者通过阅读大量文献,分析 不同物种的性别决定分子机制,对Sox9参与动物的性别决定和分化进行了综述,为进一步研究Sox9基因在 性别决定和分化中的作用提供参考. 关键词:Sox9基因;性别决定;性别分化;分子机制 中图分类号:Q343.1 文献标志码:A 文章编号:1673—8020(2012)02-0155-05 动物性别决定是发育生物学的重大研究课 题,不同生物的性别决定方式不尽相同.主要有环 境决定型(environmental sex determination,ESD) 曲畸形同时伴有性别反转,由此可以推测导致CD 综合症的基因同时也参与了性别决定.Foster 和基因决定型(genetic sex determination,GSD).环 境决定型是指某些动物的性别是由其生活史中发 育早期阶段的温度、光照或营养状况等环境条件 等 将人类的SOX9基因定位于染色体17q24.3 25.1区段内,长度约为3934 bp,含有两个内含 ~子,是报道的第一个含有内含子的SOX基因,具 有HMG基序以及4个潜在的起始密码,可以编 码509个氨基酸,其中104~182位79个氨基酸 决定的,如在两栖类、爬行类以及更为低等的物种 中均发现其性别决定受制于环境;基因决定型,如 构成HMG box,与SRY基因的HMG box同源性达 71%.Sox9基因除了含有Sox家族共有的HMG 结构域外,在其蛋白C端约1/3处有一段富含脯 氨酸、谷氨酰胺和丙氨酸的区域(PQA),这一非 酸性区域在进化上同样也是保守的,可以作为 NgL动物的性别主要取决于体内性染色体的组 成,环境对其几乎没有影响.两栖类和爬行类动物 的性别决定是由其染色体和环境共同决定的.换 言之,随着动物进化地位的不断升高,基因对其性 别决定的影响越来越起到决定性作用,对环境的 Sox9基因的另外一个标志(图1) J.研究发现 Sox9基因的功能主要有:影响性别决定和分 化 J,在胚胎发育过程中参与骨的形成 影响神经系统 及胰腺的发育¨ . 依赖越来越弱.目前认为参与动物性别决定的基 因主要有:Sty,Sox9,Sox3,Daxl,Amh, ,Wtl, , Wnt4,Dmrt1等¨ .本文就Sox9基因的基本结构 及其在性别决定与分化方面的机制进行综 述,为进一步研究Sox9基因提供参考. 1 64 104 182 228 305 339 379 402 509 1 Sox9基因的结构 Sox9基因是SoxE亚族中的一个基因,该基 图1 人类SOX9基因编码蛋白质的结构特点 数字代表氨基酸位置;PQA为脯氨酸-谷氨酰胺一丙氨酸富集 区;P为丝氨酸磷酸化部位;唧圆圆为SOX9蛋白与SF1蛋白C末 因最早是从躯干发育异常(campomelic dysplasia, 端结合结构域;皿皿皿为二聚体化功能域;圜圜为HMG结构域; 为保守区;蜀强为强TA结合功能域;●●为核定位信号; 为核输出信号;▲为拼接位点 cD)的患者体内分离到的[ _。 .cD是一种罕见的 可致死的先天性软骨骼发育异常综合症,长骨弯 收稿日期:2012-02.28;修回日期:2012-04-05 基金项目:山东省自然科学基金(ZR2010CM030) 作者简介:陈维(1986一),女,山东 阚台人。硕士研究生,主要从事细胞遗传学研究。E.mail:chenl1086@126.eom。 通讯作者:王昌留(1963一),男,山东郓城人。教授,硕士研究生导师,博士,主要从事细胞遗传学和分子生物学研究。E-mail changliuwang@sina.(30111。 156 鲁东大学学报(自然科学版) 第28卷 2 Sox9基因参与脊椎动物性别决定 环境等外界条件的影响.到目前为止并没有发现 鸟类存在有类似于哺乳动物Sty基因的性别决定 和分化的分子机制 2.1哺乳类 关于哺乳动物的性别决定机制目前研究得最 为透彻.Sty基因是Y染色体上的性别决定基因, 是睾丸决定因子的遗传基础,在早期胚胎性腺的 发育以及睾丸的形成中,起性别决定的开关作 用 .Sox9基因是位于常染色体上的性别决定基 因,表达时间较Sry基因晚,即在Sry基因开始表 达后才在雄性生殖嵴中表达.SOX9蛋白和SRY 蛋白功能相似,在Sry基因缺失的情况下,仍可以 诱发雄性的分化,并且保证雄性的正常发育.在双 性生殖嵴时期,依赖Wtl基因和 基因使生殖 嵴维持在未分化状态,并且持续表达 基因和 Wnt4基因.而在性别分化最初阶段,Sox9基因在 和Wtl基因的下处于低表达状态_】 ,一 旦Sry基因开始表达,由于其产物抑制了Sox3基 因的表达,从而解除Sox3对Sox9的抑制作用,其 机理是SRY作为转录因子,与转录因子SF1 结合,通过顺式作用元件TESCO使Sox9基因的 表达上调¨ ,睾丸发育,并且Ls0 基因在睾丸中 一直处于高表达状态.同时,Sox9基因的表达还 能激活下列过程:(1)激活其自身的正反馈 信号通路,使Sox9基因持续活化;(2)激活Fej9 基因信号通路,从而抑制Writ4基因信号通路以阻 止卵巢的分化;(3)刺激P 基因以激活PGD2 反馈通路;(4)激活Amh基因(牟勒氏体抑制基 因,是雄性性别分化中的一个重要因子),使雄性 体内的副中肾管退化,阻止其发育为雌性器官.在 睾丸形成后期,Sox9基因Ptg&基因的表达, 同时与Sox8基因协同抑制Wnt4基因和Rspol基 因(两种雌性发育标志基因)的表达.反之在发育 的卵巢中则未见Sox9基因的表达¨ . 2.2鸟类 近几年,人们对鸟类的性别决定机理的研究 已初现轮廓,但相对于哺乳动物而言,了解得还不 够全面.鸟类也是典型的基因决定(性别)型动 物,但与哺乳动物不同的是,鸟类(除平胸类外) 为雌性异配(ZW),且性别分化在一定程度上受 总开关基因.Dmrtl基因是禽类z染色体上连锁 基因,为雄性性别决定候选基因,其中的DM区是 睾丸决定的候选因子 18-19],而Sox9基因仅是位 于常染色体上与性别分化相关的基因.以鸡胚为 例,在鸡胚孵化E6.5~8.5 d时,Sox9基因在雄 性髓质索中才开始表达,而在雌性性腺中未发现 其表达 .与哺乳动物不同的是鸡胚的SOX9并 不能激活Amh基因的表达,因为在鸡胚中Amh基 因的表达要早于Sox9基因,这说明Sox9基因可 能位于鸟类性别决定通路的下游 .在鸟类雄性 性别决定中,仅凭Dmrtl基因的单一是无法 刺激生殖嵴向睾丸分化的,可能还存在另一因子 来传承这一信号,而Sox9基因是最可能的候选因 子.虽然Sox9基因不是鸟类性别决定的关键基 因,但在性别决定与分化过程中,它与Dmrt1,Hintw 等基因共同形成网络体系来性别分化 . 2.3爬行类 爬行动物的有些物种是基因决定型的,另一 些则为环境决定型.研究发现,一些物种如鳄目、 龟鳖目等动物在胚胎孵化的温度敏感期(temper. ature sensitive period,TSP),温度的变化完全可以 掩盖遗传因子的作用,影响胚胎的性别分化.Dm— r£1基因是第一个被发现的在性别决定之前受温 度影响表达的基因 .在产雄性温度和产雌性温 度下孵化,胚胎的生殖嵴和中肾复合物都有Dm— l基因的表达,但到温度敏感期后期,在产雄性 温度下,发育的胚胎性腺中Dmrtl表达水平明显 高于雌性,且其性别特异性的表达早于Sox9基 因,因此认为Dmrtl是Sox9的上游基因 .另 外,S,1基因是性别决定基因级联通路上的一个开 关,该开关也受上游基因或温度的,从而决定 激活 下游的信号通路 2 .现有资料表明,Sox9 基因仅仅是雄性性别决定级联通路下游的基因之 一,受 基因的,于Mis基因信号通路 而存在_26』.文[27]研究了八孑L海龟(Lepidochelys olivacea)的Sox9基因表达受温度的机制:在 产雄性温度和产雌性温度孵化胚胎的温度敏感期 (21—25期), 基因都可表达;但产雌性温度 下孵化胚胎发育的26~27期,Sox9基因的表达 会出现下调 . 第2期 陈维,等:so 基因参与动物性别决定与分化的分子机制 157 2.4两栖类 Sox9基因参与了鱼类性别决定,并起到比较重要 的作用,这与文[35]在研究中发现的青鳝Sox9基 因在表达水平上与哺乳动物Sox9基因类似,在雄 性性腺中高表达的结果相一致. 两栖类动物的性别决定也包括基因决定型和 环境决定型,并且受环境的影响更大,其性别决定 多是外界环境因素影响某些激素的合成或性别相 关基因的表达进而影响性别分化.目前有关两栖 类动物的性别决定机制还有许多问题有待研究, 其中基因对于性别影响的复杂性和不确定性是研 3 Sox9基因参与无脊椎动物性别决 定和分化的分子机制 究的难点.两栖类动物中许多与性别分化相关的 基因已被克隆,如Sox9,Dmrtl,Foxl2,Daxl, 等 基因 ,但并未发现与Sry基因功能类似的性别 决定基因.Sox9基因在两栖类中并非是参与性别 决定的关键基因,但与后期的性腺结构的分化有 关.例如在爪蟾中 ,Sox9基因最早是在变态后 分化良好的性腺中表达,在雌、雄性腺中的表达也 存在一定的时空差别.在爪蟾精巢中Sox9基因的 表达只局限在Sertoli细胞核中,这与其他脊椎动 物相同,此基因主要参与雄性个体睾丸的分化;但 在卵巢中,卵黄合成前期卯母细胞的细胞质中有 SOX9蛋白,在卵黄合成期会转移到卵母细胞的 细胞核中.这说明在卵黄合成前期卵母细胞的 Sox9基因可以表达,至于为何在卵黄合成期进入 核内,发挥什么作用?尚有待进一步研究. 2.5鱼类 鱼类的性别决定机制具有原始性、多样性和 易变性.鱼类存在所有脊椎动物的性别决定方式, 有从雌雄同体到雌雄异体等各种性别类型,性染 色体的组成在不同物种中存在明显的差异,在整 个生命活动中性逆转也是较为常见的E 30 3.Sox基 因一直被人们作为鱼类性别决定机制研究的重点 基因,在斑马鱼中已确认有两种Sox9基因[31 J: Sox9a和Sox9b,他们都具有Sox9基因的共有序 列.这两个同源基因在斑马鱼成体的表达模式不 尽相同,Sox9a基因在脑、肾、肌肉和精巢中均有 表达,而Sox9b基因仅在卵巢中表达.文[32]在虹 鳟中也发现存在两种Sox9基因并且均只在精巢 中表达,文[33]在黄鳝中同样发现了两个Sox9基 因且在卵巢和精巢中均有表达,文[34]认为大鳞 副泥鳅的Sox9基因在其精巢中高度表达并且和 精巢的形成和分化有一定的关系.从上述研究可 以看出,对鱼类性别决定的分子机制研究尚停留 在初始阶段,迄今为止并未形成一个像哺乳动物 性别决定那样相对完整的传导通路,但可以推测 与脊椎动物相比,无脊椎动物的性别类型和 表现形式更加丰富多彩,其性别决定呈现原始性、 多样性和可塑性.目前,对于大多数无脊椎动物性 别决定的认识只停留在染色体水平上,其中对于 一些甲壳类动物,由于其染色体数目较多,大小差 别很小,不易分辨着丝点,使用常规的生物学技术 难以辨别相对应的同源染色体,更难准确地发现 性染色体,因此对其性别决定机制的研究甚少.目 前对果蝇和线虫等模式生物的性别决定分子机制 研究得尚算透彻 .对果蝇的研究表明,Sxl基 因是其性别决定的开关基因,当果蝇体细胞性别 决定的初级信号x染色体与常染色体组的比率 为1.0时,Sxl基因活化,活化的Sxl基因又使下 游的Tra,Tra-2基因活化,进而诱导Dsx基因(双 重性别基因)产生DSX.Female蛋白,最终使果蝇 发育为雌性,至于Tra基因和Tra一2基因的产物是 否对下游的间性基因 产生影响,仍有待于进一 步研究;当果蝇的x染色体与常染色体组的比率 为0.5时,Sxl基因失活,无法激活下游基因,使 得Dsx基因产生DSX。Male蛋白,也使后续的基因 反应多无法进行,果蝇发育为雄性 .对于 果蝇的Y染色体的作用,由于其没有性别决定的 功能,仅是雄性可育所必需的染色体. 笔者所查阅的资料中并未发现有关研究无脊 椎动物Sox9基因参与性别决定的报道,但在一些 低等无脊椎动物中确实发现Sox9基因的存在,在 ncbi数据库中可以搜索到很多无脊椎动物基因组 中存在.s0 基因,如海胆(登录号:AY776326)和 侧腕水母(登录号:AY769225.1).贺艳萍等 用 人类特异的HMG.box区域的一对引物对克氏螯 虾的基因组DNA进行PCR扩增,以DIG标记的 人类SRY基因为探针与扩增得到的产物进行 Southern杂交,证实在克氏螯虾的雌雄个体中均 存在与SRY基因同源的基因序列,但信号较弱, 这可能是由得到的目的基因与探针同源性较低所 致.目前研究发现,在雄蜂精巢的发育过程中, 158 鲁东大学学报(自然科学版) 第28卷 SoxE亚族的基因表达上调 .由于研究的局限 性,Sox9基因是否参与无脊椎动物的性别决定仍 有待深入研究. Sox9基因除了参与动物的性别决定外,在神 经系统和胰腺的发育以及成骨过程中都发挥重要 的作用,说明该基因并非是一个性别特异性基因, 可能也参与其他生理活动,并且在不同物种 中Sox9基因发挥的作用也不尽相同.由于在无脊 椎动物中并未发现Sox9参与性别决定,但其基因 组中确实存在该基因,可以推测该基因可能在动 物生长发育过程中与某些器官的分化等生理活动 有关. 4 展望 rl rL rL rl2 ]J 13 J4 ]j]J5 动物的性别决定和性别分化是一个复杂的过 程,随着物种的不断进化,环境对性别决定的影响 逐渐减弱,基因对性别的决定作用越来越大,渐渐 摆脱多变的环境对该物种性别的束缚.已有的研 究结果揭示,动物的性别决定并不单单是靠一个 基因,而是由众多基因联合作用,构成一个复 杂的信号网络来完成的.性别决定和性别分 化一直是人们非常关注的一个课题,在生产实践 中也有很重要的应用价值,可以利用分子生物学 的手段有目的地控制性别,从而扩大生产,产生更 大的经济效益,有关该方面的研究还非常少.另 外,研究动物的性别决定机制对一些与性别有关 的疾病的治疗也有一定的帮助.从低等无脊椎动 物的侧腕水母至高等哺乳动物的人类,各个物种 中均发现了Sox9基因的存在,说明Sox9基因在 物种进化过程中是相对保守的,是物种存在所必 需的基因.在n¥- ̄L动物和鸟类中已确认Sox9基因 参与性别决定和分化,但在其他物种中Sox9基因 在性别决定和分化方面的作用还有待于进一步的 研究.另外已证明,Sox9基因对调节哺乳动物其 他生理活动确实有一定的作用,但在一些低等物 种中,对于Sox9基因的研究还仅仅停留在对基因 的发现阶段,有关其功能和机理还需要进一 步的探索. 参考文献: [1] 周林燕,张修月,王德寿.脊椎动物性别决定和分 化的分子机制研究进展[J].动物学研究,2004,25 (1):81—88. 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Key words:ec0system service value(ESV);land use/land cover change(LUCC);economic assessment;Zhan— gye oasis (责任编辑 李少兰) (上接第159页) Abstract ID:1673—8020(2012)02-0155一EA Molecular Mechanisms of Sox9 Gene in Regulating Sex Determination and Differentiation of Animals CHEN Wei,WANG Chang—liu (School of Life Sciences,Ludong University,Yantai 264039,China) Abstract:Sox9 gene can take part in many physiological activities of gene regulations.Its most important role is involved in sex deteHnination.The molecular mechanisms of sex determination and differentiation regulated by Sox9 gene in different species are reviewed,which is expected to provide reference materials for further study on sex determination and differentiation of Sox9 gene. Key words:Sox9;sex determination;sex differentiation;molecular mechanism (责任编辑 司丽琴) 

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