作者：chess brother

性別決定和分化以及機(jī)制是生命科學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究的重要問(wèn)題之一，科學(xué)家們根據(jù)相關(guān)的材料，逐步揭開了性別決定和分化的神秘面紗。
性別,伴隨有性生殖的出現(xiàn)，生物界同種個(gè)體之間普遍出現(xiàn)的一種形態(tài)和生理上的差異現(xiàn)象。性別間的差異隨進(jìn)化過(guò)程中有性生殖的演進(jìn)而增高。高等生物(如脊椎動(dòng)物、種子植物)不同性別（雌性和雄性）的個(gè)體，在形態(tài)、生理和行為上均有極為明顯的差異。性別，通俗一點(diǎn)說(shuō)就是男女、雌雄或公母。
隨著性別分化，為了更好地理解和研究性別，性別決定、性別決定方式和性別決定系統(tǒng)等方面也就隨之提出。性別決定，從生物育種學(xué)看，指有性繁殖生物中，產(chǎn)生性別分化，并形成種群內(nèi)雌雄個(gè)體差異的機(jī)理。細(xì)胞分化與發(fā)育上，由于性染色體上性別決定基因的活動(dòng)，胚胎發(fā)生了雄性和雌性的性別差異。從遺傳學(xué)上看，則是在有性生殖生物中決定雌、雄性別分化的機(jī)制。
不同的生物，性別決定的方式也不同。性別的決定方式有：環(huán)境決定型（溫度決定，如龜類等爬行類動(dòng)物）；年齡決定型（如鱔）；染色體數(shù)目決定型（如蜜蜂和螞蟻）；有染色體形態(tài)決定型（本質(zhì)上是基因決定型，比如人類和果蠅等XY型、矢鵝和蛾類等ZW型）等（圖1）。這些性別決定的方式能夠保證相應(yīng)生物種群的性別比例，平衡種群中雌雄比例，基本維持在1:1。
迄今為止，脊椎動(dòng)物中存在有兩種主要的遺傳性別決定系統(tǒng)，即雄性性染色體異型XX/XY和雌性性染色體異型ZZ/ZW。除此之外，還有相關(guān)的性染色體組合形式，如雌性異配子（00/0W或ZZ/Z0）、雄性異配子（XX/X0）；更有甚者，性染色體和常染色體之間存在染色體融合（fusions）、裂變（fissions）、易位（translocations），如X₁X₂Y, XY₁Y₂ ,or Z₁Z₂W，經(jīng)過(guò)染色體易位等方式將大量的有利于性別決定和分化的基因聚集，并逐漸特異化，結(jié)果產(chǎn)生了新的性染色體，同時(shí)這也是性染色體起源和進(jìn)化的簡(jiǎn)單模式，如XY型的起源和分化模式（圖3）。

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圖1. ZZ/ZW、XX/XY性別系統(tǒng)演示圖（來(lái)自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 4）

第一行所示環(huán)境決定型（Environmental Sex Determination）：龜類和其它一些爬行動(dòng)物中，性別決定是卵孵化的溫度決定的（溫度依賴性別決定temperature-dependent sex determination）；另外，社會(huì)因素也是性別決定的主要因素，比如綠海鞘（marine green spoonworm），生長(zhǎng)在海底的幼蟲分化、發(fā)育成雌體（體長(zhǎng)15cm），而接觸到雌體的其它幼蟲則發(fā)育成微小的雄體（體長(zhǎng)1-3mm），生活在雌體體內(nèi)。第二行所示基因決定型（Genotypic Sex Determination）：絕大多數(shù)的哺乳類和甲蟲、許多蠅類以及部分魚類具有XY性染色體（雄性異型），而鳥類、蛇類、蝶類和一些魚類具有ZW性染色體（雌性異型）。

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圖2. 動(dòng)物和植物性別決定系統(tǒng)的多樣性。

圖中所示包括：脊椎動(dòng)物：哺乳類（有胎盤類、有袋類和單孔類哺乳動(dòng)物），鳥類，爬行類（龜類、蛇類、鱷類和蜥蜴類），兩棲類（蛙類、蟾蜍類、蠑螈類）和真骨魚類，以及其他無(wú)脊椎動(dòng)物（包括蜱螨類、甲殼類和昆蟲）。植物包括裸子植物和被子植物。兩棲動(dòng)物中絕大多數(shù)都是同型性染色體（黃色所示）。（來(lái)自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 3）

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圖3. 性染色體分化示意圖（以XY為例，XY染色體未按相應(yīng)比例給出）

A. 起源于常染色體的XY性染色體及其分化：其中一條常染色體獲得雄性決定基因（Sry基因）后，在其附近逐漸聚集有利于雄性的基因，逐漸分化，在形態(tài)和功能上與X染色體顯著不同。B. 性染色體分化水平在不同物種中表現(xiàn)不同，從整個(gè)同型性染色體到異型性染色體，從單個(gè)基因座（圖示河豚）到某一個(gè)區(qū)域（圖示草莓和鴯鹋），再到除了少數(shù)能重組區(qū)域的人類（圖示達(dá)爾文），一直到整條Y染色體（圖示果蠅）。(來(lái)自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 1)

兩棲動(dòng)物的繁殖和發(fā)育都是在水環(huán)境或濕潤(rùn)的環(huán)境中進(jìn)行（詳見“什么是兩棲動(dòng)物”），所以水環(huán)境中的所有因子都會(huì)影響兩棲動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)兩棲動(dòng)物的性別決定和分化也有很大的影響。除此之外，影響兩棲類動(dòng)物性別決定的因素還有除水因子外的其它環(huán)境因子、性染色體、性別決定基因和性激素等。
目前認(rèn)為，兩棲動(dòng)物的性別決定主要有兩種方式，一是基因型性別決定（Gene type sex determination, GSD），二是環(huán)境(主要是溫度依賴型)性別決定（Environmental Sex Determination, ESD）?；蛐托詣e決定有性別決定基因和性染色體直接決定個(gè)體中的性腺發(fā)育成精巢或者卵巢，外界環(huán)境影響較少。溫度是普遍認(rèn)為是環(huán)境性別決定的主要影響因素，環(huán)境溫度可以誘導(dǎo)或者決定兩棲動(dòng)物的受精卵、胚胎發(fā)育，所以每一個(gè)個(gè)體的性腺都有可能分化成精巢或者卵巢，即每一個(gè)都有可能成為雄性或者雌性個(gè)體。但是，溫度依賴型的性別決定可能還有其它的環(huán)境因子的協(xié)同作用。已經(jīng)報(bào)道可的溫度依賴型的兩棲動(dòng)物有中國(guó)林蛙（Rana chensinensis）、北非肋突螈（Pleurodeles poireti）和歐非肋突螈（P.waltl）。
雖然，遺傳學(xué)上對(duì)于兩棲動(dòng)物的性別決定方面的探討有很多報(bào)道，但是在研究的兩棲動(dòng)物物種中，大約4%的種類中觀察到或鑒別出性染色體（目前超過(guò)1/4的無(wú)尾兩棲動(dòng)物已經(jīng)做了核型檢測(cè)），原因在于兩棲類物種的性染色體是同型的（homomorphic），而不是異型的（heterogeneous），不易被鑒別（圖2）。即便如此，有關(guān)兩棲動(dòng)物染色體上與性別決定和分化有關(guān)的基因已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和克隆，如性染色體上的DAX1（雄性決定有關(guān)）、SF1和SOX3（雌性決定有關(guān)）等基因；除此之外，常染色體上的DMRT1（雄性決定有關(guān)）、SOX9和FOXL2（雌性決定）等。這些基因的發(fā)現(xiàn)和克隆，有利于研究?jī)蓷珓?dòng)物性別決定和性別分化過(guò)程中的特異性表達(dá)，以及探討兩棲動(dòng)物性別決定和分化的機(jī)制。但是，在兩棲動(dòng)物染色體上并未發(fā)現(xiàn)有人類相同的SRY性別決定基因，只是發(fā)現(xiàn)了與此基因相似的基因。
對(duì)于基因型性別決定而言，通過(guò)性染色體來(lái)決定，不受外界因素的影響；而胚胎發(fā)育成為雄性或者雌性，主要取決于性染色體的組成，如XY型（ZZ型）將發(fā)育成雄性，XX型（ZW型）發(fā)育成雌性。XY型是哺乳動(dòng)物最典型的性別決定組合，而ZW型是鳥類典型的性別決定組合。但是兩棲動(dòng)物中并沒(méi)有確定的XX/XY型或ZZ/ZW型；現(xiàn)今已經(jīng)確認(rèn)或發(fā)現(xiàn)過(guò)的兩棲動(dòng)物性染色體組合中，既有XX/XY型，也有ZZ/ZW型，如美西螈（Ambystoma mexicanum）、虎紋鈍口螈（A.tigrinum）、非洲爪蟾（Xenopus laevis）、非洲箱頭蛙（Pyxicephalus adspersus）、德拉平跟蛙（Tomopterna delalandii）、哈氏滑跖蟾（Leiopelma hamiltoni）、大蟾蜍（Bufo bufo）等均為ZZ/ZW型性別決定系統(tǒng)，即雌性為ZW型，雄性為ZZ型。黑斑蛙（Rana nigromaculata）為XX/XY性別決定系統(tǒng)，但是粗皮蛙（Rana rugosa）卻同時(shí)具有XX/XY和ZZ/ZW性別決定系統(tǒng)（注：兩種性別決定系統(tǒng)是獨(dú)立的存在于不同種群中）。
對(duì)于兩棲動(dòng)物的性別而言，繁殖季節(jié)可以從外部形態(tài)，如第二性征（婚墊、婚刺、婚色、胸部刺團(tuán)、身體顏色變化等），可以區(qū)分出雌、雄性。但是有時(shí)候在對(duì)兩棲動(dòng)物的性別研究中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際觀察到的性別與分子學(xué)、遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相悖，即外部形態(tài)表現(xiàn)為雄性（或雌性）的個(gè)體，實(shí)際上卻是雌性（或雄性）。不光如此，兩棲動(dòng)物中不僅僅存在一種XX/XY或ZZ/ZW性別決定系統(tǒng)，而且還同時(shí)存在XX/XY、ZZ/ZW兩種性別決定系統(tǒng)，或同時(shí)存在三種性染色體（Y、W、Z），如熱帶爪蟾Xenopus tropicalis。Roco et al. (2015) 在對(duì)實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖的熱帶爪蟾株系進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)三倍體后代的性別比例基本保持1:1，而二倍體后代性別比例卻偏離了1：1，而是雌：雄=1:3（圖4紅色部分），不符合熱帶爪蟾的ZZ/ZW性染色體決定系統(tǒng)，并且也不能用Z或者W計(jì)量效應(yīng)（dosage effect）來(lái)解釋。Roco et al. 提出應(yīng)該是遠(yuǎn)系繁殖家族的父系（Cam/N/Pacbio）可能存在強(qiáng)雄性決定的Y染色體存在。由此解釋如下（二倍體）： YZ？ ZW = YZ+ YW + ZZ+ ZW（性別比例3 :1 ）。

圖4. 熱帶爪蟾（Xenopus tropicalis）二倍體和三倍體后代的性別比例和家系圖。紅色框內(nèi)示雌：雄=1:3。

注：性染色體來(lái)源（不同顏色代表不同株系）：紅色-代表Nigerian株系，藍(lán)色代表Ivory Coast株系，綠色代表PacBio株系，橙色代表Cam4/N 雜交系；ECS表示利用早期冷休克方法抑制極體從第二卵母細(xì)胞排出，從而受精后形成三倍體（suppressing polar body extrusion by early cold shock）（來(lái)自Roco et al., 2015--Supplementary Information Fig.S3.）。

除此之外，在生物界中還存在一種現(xiàn)象—性反轉(zhuǎn)（sex reversal），即生物從一種性別轉(zhuǎn)變成另一種性別的現(xiàn)象，如黃鱔（Monopterus albus）、歐洲鰻鱺(Anguilla anguilla)、紅鱸魚(Sacura margafacd)以及石斑魚等生活史中存在性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；人類也存在有性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如46XX的男性和46XY的女性，是由于SRY基因以及相關(guān)基因的異常所引起的。兩棲動(dòng)物蝌蚪可以使用人工雌激素（雌二醇ethynylestradiol或苯甲酸雌二醇 -estradiol 3-benzoate等）和芳香化酶抑制劑（aromatase inhibitor）--法倔唑（fadrozole）進(jìn)行誘導(dǎo)產(chǎn)生性反轉(zhuǎn)，前者能使雄性反轉(zhuǎn)成雌性，后者可以誘導(dǎo)雌性反轉(zhuǎn)成為雄性。產(chǎn)生性反轉(zhuǎn)的蝌蚪經(jīng)過(guò)一系列的處理后，分化和發(fā)育成相應(yīng)的性別，可以用于遺傳學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。但是性反轉(zhuǎn)是一個(gè)十分復(fù)雜而又非常有趣的現(xiàn)象，它既受性染色體的決定，也受外部條件或生理、病理?xiàng)l件改變的影響，從而改變的基因的調(diào)節(jié)，此領(lǐng)域涉及基因的調(diào)控、組織的凋亡、激素的分泌、組織的分化和發(fā)育等，已成為遺傳學(xué)研究的熱點(diǎn)。
在兩棲動(dòng)物的性別決定中，溫度、基因和激素對(duì)性別決定和性腺分化有直接或間接的影響，同時(shí)基因?qū)τ趦蓷珓?dòng)物性別決定過(guò)程中，不可能由某一個(gè)或幾個(gè)基因決定，或許是由許多相關(guān)基因共同作用，一些促進(jìn)卵巢分化、一些促進(jìn)精巢分化，一些可能對(duì)精巢和卵巢的分化都有作用。除此之外，性別決定相關(guān)基因的表達(dá)（基因表達(dá)計(jì)量效應(yīng)gene dosage effect）、基因表達(dá)水平和環(huán)境因素（如溫度）都會(huì)通過(guò)影響雌、雄激素水平，從而控制性腺的分化，影響性別決定。兩棲動(dòng)物的性別決定體系和因素很復(fù)雜，已經(jīng)成為發(fā)育生物學(xué)研究的重要課題之一；以兩棲動(dòng)物為對(duì)象研究性別分化及其發(fā)育過(guò)程，主要原因在于兩棲動(dòng)物的性染色體系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的進(jìn)化，在性腺分化中有重要的作用。同時(shí)，探索兩棲動(dòng)物的性別分化問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)存動(dòng)物性別決定有著現(xiàn)實(shí)意義。

延伸閱讀：

1. 劉佳等. 2011. 兩棲動(dòng)物性別決定相關(guān)基因的研究進(jìn)展.動(dòng)物學(xué)雜志，46（6）：134-140.

2. Roco et al. 2015. Coexistence of Y, W, and Z sex chromosomes in Xenopus tropicalis. PNAS Early Edition（www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1505291112）.

3. Bachtrog et al. 2014. Sex Determination: Why So Many Ways of Doing It? PLOS Biology, 12(7):e1001899.

4. van Doorn. 2014. Evolutionary Transitions between Sex-Determining Mechanisms: A Review of Theory. Sex Development, 8:7–19.

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