生物性别决定的复杂性

朱蔚云，谢天炽，李佩琼，申本昌

（广州医科大学生物科学系，广州510182）

生物性别决定的复杂性

朱蔚云，谢天炽，李佩琼，申本昌

（广州医科大学生物科学系，广州510182）

动物和植物的性别决定方式复杂多样，细菌的性别决定则比较简单。人类的性别决定方式为XX-XY型性别决定方式，Y染色体在人类男性的性别决定和发育中起决定作用，Y染色体上的基因启动了和性别决定有关基因的差异表达，进而启动了个体的性别发育过程。果蝇的性别决定最终取决于X染色体的数目和常染色体套数的比值（X/A）。高等植物多为雌雄同株，无明显的性染色体决定性别机制。细菌的性别由细菌是否含有致育因子即F因子而决定，含有F因子的菌株相当于雄性，不含F因子的菌株相当于雌性。总体来说，遗传组成是生物性别决定的物质基础，但环境因素对性别决定也有影响。主要阐述了生物界主要的性别决定方式及环境因素对性别决定的影响，综述了人类和果蝇性别决定的分子基础的研究进展。

性别决定；性染色体；遗传方式；环境因素

生物的性别是生物通过长期进化获得的最重要的表现型，按照性别，许多物种可以划分成两个或两个以上的种类，即雌、雄两性，雌、雄两性是一对相对性状，是一个可塑的生物发育过程［1］。性别的种类依据个体在其生命周期某段时间中能够执行的生殖功能来决定。性别的重要性在于它提供大量遗传多样性的机制，而遗传多样性是大多数自然种群所具有的特点。一般说来，生物的性别是由受精卵的遗传物质决定的，但也受环境中多种因素的影响［2］，生物的性别决定方式是复杂的。

1 动物的性别决定

生物界中性别形成的方式有许多种，动物的性别决定包括初级性别决定和次级性别决定，其中初级性别决定关系到性腺的发育方向，一般是由基因型决定的，通常不受环境的影响。哺乳动物睾丸发育的决定依赖于Y染色体的存在。次级性别决定性腺外的身体表型及第二性征发育，通常由性腺分泌的激素控制及生殖细胞所处的内环境决定的［3-4］。多数生物体细胞的同源染色体形状往往不同，这对染色体跟性别决定直接有关，称为性染色体。不同的生物，性别决定的方式也不同。

1.1人类染色体与性别决定——XX-XY型性别决定［5］

XX-XY型性别决定在生物界较为普遍，在动物中占绝大多数，全部哺乳动物、大部分爬行类、两栖类以及雌雄异株的植物都属于XX-XY型性别决定。人类体细胞中有46条染色体，其中22对常染色体，1对性染色体，X与Y染色体在形态上有明显差别。在女性中有2条成对的X染色体，染色体组成为46，XX，女性是同配性别；而男性只有一条X染色体及一条很小的Y染色体，为异配性别，产生比例相等而基因型不同的两种不同类型的精子。Y染色体对于人类雄性的性别决定至关重要。

哺乳动物的性别决定涉及多个基因的级联调控过程，在一些物种中常染色体上的基因常常影响生物的次级性别决定［6］。在人的性别决定方面，X染色体和Y染色体所起作用是不等的，Y染色体是性别决定的关键因素，Y染色体的短臂上有一个“睾丸决定”基因，即sry（sex determ ining region of Y）编码的睾丸决定因子TDF（testis determ ining factor），有决定胚胎朝“男性”方向发育的作用，即性腺发育为睾丸而不是卵巢。TDF是一种转录因子，在未分化的性腺中作用于它的靶基因，其基因产物与其他基因，如常染色体上的dax1，wt1，sf1和sox9的产物结合到一起成为一个DNA结合蛋白复合物，该复合物控制着参与睾丸发育和可育性的级联基因激活过程中的一个或更多其他基因的表达。睾丸开始发育后，位于常染色体上的睾丸酮（testosterone）合成基因就被激活，睾丸酮是一种属于甾类的雄性激素，决定男性第二性征如体型和体毛模式的形成。睾丸酮合成后进入血液循环系统，随血流到达其作用的靶细胞，作为一种脂溶性分子，可以直接穿过细胞膜进入靶细胞的胞质，在靶细胞的胞质中与X染色体上的雄激素受体(androgen receptor,AR)结合，这种处于结合状态的激素-受体复合物进入细胞核，作为转录因子作用于雄性特异的基因，然后影响第二性征的发育［3］。在人类性器官分化的过程中，原始性腺具有双向发育的趋势，男性性腺分化较早，胚胎在受精后第7周形成睾丸，第8周产生睾丸酮；女性性腺分化较迟，受精后第13周才出现卵巢分化。性器官的分化取决于睾丸酮的水平，如果位于常染色体上的睾丸酮合成基因发生突变，导致缺乏适量的睾丸酮，性器官就向女性方向分化发育，睾丸酮是形成男性或女性的决定性因素。

性别决定是sry引发的多基因参与的复杂过程，但Y染色体对性别决定起主导作用，不论X染色体有几条，只要存在一条Y染色体就发育为男性，AR蛋白对男性性别决定是至关重要的，如果AR缺失或失活，睾丸酮无法发挥作用，个体也就不会发育为男性性状。而仅有X染色体的个体，如核型为45，XO的个体发育成女性。如果Y染色体上的sry、常染色体睾丸酮合成基因或X染色体上的雄激素受体发生突变，就会出现46，XX的男性和46，XY的女性等性别异常现象。

1.2 ZZ-ZW型［7］

ZW型性别决定刚好与XY型相反，雌性个体的性染色体组成为ZW，雄性个体的性染色体组成为ZZ。例如家蚕的体细胞染色体数是56条，雄蚕的性染色体组成是ZZ,只能产生一种精子，即28,Z；而雌蚕的性染色体组成为ZW,可产生2种卵子：一种是28,Z；另一种28,W，两种卵的比例相等。雌性是异配性别，雄性是同配性别，后代的性别取决于受精的卵细胞携带Z染色体或W染色体［8］。

这种类型性别决定方式多见于鳞翅目昆虫、某些两栖类、爬行类及鸟类等。鸟类为遗传性别决定，从物种和染色体进化上看比较特殊，其性染色体是由常染色体进化而来的，既有低等动物性染色体的特征又有高等哺乳动物性染色体的特征。鸟类Z染色体上携带有睾丸发育的关键基因dmrt1，而W染色体几乎不含有意义的基因［9-10］。

1.3 XX-XO型［5］

雌性的性染色体成对，为XX，雄性只有一条单一的X染色体，为XO型。如雌性蝗虫为24，XX；雄性蝗虫为23，XO。减数分裂时，雌虫只产生一种含X染色体的卵子；雄虫可产生有X和无X染色体的2类精子，其性别比例为1∶1。直翅目昆虫（如蝗虫、蟋蟀和蟑螂等）和植物中的花椒属于这种性别决定类型。

1.4 ZO型［11］

少数的鳞翅目昆虫属于这种性别决定类型。这类性别决定方式的个体，雄性性染色体为ZZ，雄性产生单一类型配子，雌性性染色体为ZO，产生2种配子，群体的性别比为1∶1。

有些物种,如模式生物果蝇的雌性决定基因位于X染色体上，雄性决定基因位于各个常染色体上［12-13］，其性别决定最终取决于X染色体的数目和常染色体套数的比值（X/A），而与Y染色体存在与否无关，Y染色体只是与精子的发生有关，也就是只要具有Y染色体的雄性果蝇才能产生有活性的精子，XO型雄性在果蝇中常有发生，但这种雄蝇通常是不育的。果蝇的性别决定是由于X/A比值不同，这种不同引起多个基因转录后水平选择性剪接，其分子机制见图1。X/A比值高（≥1）时，雌性化基因sxl（sex lethal）在胚胎细胞中进行转录，稍后，PE启动子驱动sxl在所有胚胎中表达，转录产物经过剪接后，成熟的RNA被翻译为有活性的雌性化基因产物sxl胚胎进入雌性决定；而在X/A比值低（≤0.5）的胚胎细胞中,雌性化基因sxl在晚期启动子（PL）作用下,改变了sxl的转录方式，进而产生一种包含sxl外显子3遗传信息的雄性特有的sxl mRNA，这种mRNA由于在外显子3中含有一个终止密码子，无法产生有活性的蛋白产物，胚胎进入雄性决定。SXL蛋白是一种RNA结合蛋白，它能够影响其他基因的转录，SXL蛋白引发雌性细胞的tra表达，tra产物与其他基因产物结合为雌性特有的基因产物DSX-F；在雄性胚胎中，由于缺乏具有活性的SXL蛋白，tra被转录为不同于雌性胚胎的另一种没有编码功能的mRNA,雄性胚胎由此产生雄性特有的DSX-M。雌性胚胎的DSX-F蛋白质作为转录因子抑制雄性基因的表达，使胚胎在发育过程中产生卵黄蛋白质和卵壳蛋白质等雌性特有的结构成分；而雄性胚胎特有的DSX-M蛋白质因子则抑制雌性基因的表达，而促进雄性基因的表达，使胚胎发育出第一对附肢、第一附节上的性梳等雄性特有的解剖结构。因此，果蝇的性别决定和性别特征的建立是基于X/A比值的一系列差异化mRNA剪接及基因级联反应的结果［5］。

2 植物的性别决定［5,7］

高等植物多为雌雄同株，无明显的性染色体决定性别机制。但在少数雌雄异株的植物中，也有与动物相类似的性染色体性别决定机制。大部分雌雄异株植物都属于异配性别，XX性染色体组成的植株为雌株，XY植株为雄株。如石竹科的女娄菜、大麻、银白杨和菠菜等，其性别取决于Y染色体存在与否。

在植物界，雌株和雄株的差异多表现在花器上，有些低等生物雌、雄性仅表现在生理差异上，而在外形上却完全相同。雌雄异株的植物，如菠菜，有时会出现雌雄同株的个体，性别分化也是植物进化过程中自然发生的［14］。玉米是典型的雌雄异花植物，单性花的形成经历复杂的性别决定，能把雌雄同株转变为雌株或雄株［15］。例如，基因ba在纯合时，植株没有雌花序，为雄株；基因ts在纯合时，使垂花成为雌花序，不产生花粉。因而babatsts的植株是雌株，它没有果穗，但在垂花上产生卵细胞，而babaTsTs植株是雄性。若适当改变玉米的基因型，让雌株babatsts与雄株babaTsts交配，后代植株中雌雄比例是1∶1。这样就在玉米中建立一个新的性别决定系统。玉米的性别由Tsts的分离与否决定。ts所在的染色体就成为“性染色体”，雄株可以产生Ts和ts两种配子，雄株是异配性别。

图1 X/A决定果蝇性别的分子机制Fig 1 Themolecularmechanism of sex determination of drosophilaby the ratio of X/A

3 细菌的性别决定［16］

细菌通过细胞分裂的方式进行增殖，但有些种类的细菌也有性别，研究发现大肠杆菌中含有一种微小的致育质粒，即F质粒，F因子含有致育基因，能编码性菌毛，F因子具有赋予中性细菌呈现性别的性质，具有感染性，F因子的基因编码生成F菌毛的蛋白质，即接合管，具有F因子的细菌为雄性细菌，无F因子的细菌为雌性细菌。细菌通过性菌毛互相连接，并以现在尚不明确的方式将遗传物质从一个含F因子的雄性细菌（供体）水平传递给不含F因子的雌性细菌（受体），并由此导致细菌遗传物质的重组。

4 环境决定性别的发育方向［7］

有些动物的性别，靠其生活史发育的早期阶段的温度、光照或营养状况等环境条件来决定。在一些低等的动物体内，如两栖类、爬行类等，性别的决定除与性染色体组成有关外，还与环境的变化有一定的关系［17］。

大部分蛇类和蜥蜴类的性别是在受精时由性染色体决定的，但有一些龟鳖类和所有的鳄鱼，其性别是由受精后的环境因素决定的。这些爬行类在某个发育时期受精卵所处的温度成为性别决定因素。温度略改变，就会使其性比发生急剧变化。当卵在22～27℃孵化时，只产生一种性别；在30℃以上的温度中孵化时，则产生另一种性别。只在很小的温度变化范围内同一批卵才会孵化出雌性和雄性两种个体。例如，有一些龟的卵在低于28℃温度下孵化时，孵出的所有小龟都是雄性；如果孵化温度高于32℃，则孵出的都是雌性；在介于28℃与32℃之间孵化时，则同时孵出雌性和雄性个体。蝌蚪、扬子鳄和密西西比鳄的性别决定也与龟的性别决定相似，受温度影响很大。温度改变性别的表现型，但不改变其基因型。

海生蠕虫性别由机遇决定。如蠕虫后缢的雌虫体积大，雄虫很小且生活在雌虫子宫内。后缢在幼虫期不分性别，成熟前有一段时间的变态发育。自由游泳的幼虫是中性，如果落在海底就成为雌虫；若由于偶然的原因，或可能由于一种吸引力，幼虫落在雌虫长长的口吻上，就会进入雌虫的口中，并游向子宫，发育成一个与雌虫共生的雄虫。如果移去已经落在雌虫口吻上的幼虫，让它在离开雌虫的条件下继续发育，则会发育成间性。间性偏向雌性或雄性的程度取决于幼虫以前停留在雌虫口吻上的时间。这表明雌虫口吻组织里有导致幼虫雄性化的类似激素的化学物质。螠虫的性别分化并不是受精时由遗传成分来决定的，而直接由环境因素所控制。

生物的性别决定也受营养的影响。黄瓜发育的早期，在施肥的过程中加入氮肥或者通入CO2，可使雌花数量增多［18］。多数线虫是靠营养条件的好坏来决定性别的，它们一般在性别未分化的幼龄期侵入寄主体内，若营养条件差，就会失去1条X染色体，变为雄性染色体组成，发育为雄性成体［19］。若营养条件好，则保留2条X染色体，发育为雌性成体。从表面上看，这种线虫的性别是由营养条件决定的，但从染色体水平看，实为性指数决定性别。蜂类的性别不仅与染色体数目有关，也与环境有关［20］，营养差异决定雌蜂是发育成可育的蜂王还是不育的工蜂。

日照长短影响性别的分化，太阳光的不同颜色会对植物产生不同的影响，会影响植物的性别。蓝光、短日照能促进短日照植物多开雌花，使长日照植物多开雄花；而红光、长日照能促进短日照植物多开雄花，使长日照植物多开雌花。例如，缩短光照，黄瓜多开雌花。中国特有种扬子鳄靠光照强弱来实现性别决定。巢穴建于潮湿阴暗的弱光处可孵化出较多雌鳄，巢穴建于阳光曝晒处，则可孵出较多的雄鳄。

化学物质也影响性别决定。分析研究表明，生长素和萘乙酸增加黄瓜的雌花，减少雄花；赤霉素、三碘苯甲酸却抑制雌花的出现，诱导雄花形成；一氧化碳处理黄瓜幼苗可使雄花数大大下降，提高雌花数。

总体说来，动物和植物的性别决定方式是多种多样的，细菌的性别决定则比较简单。遗传组成是生物性别决定的基础，环境因素对性别的决定也有很大的影响，环境因素导致生物向不同的性别发育，一般不影响生物的遗传组成。生殖和生存是生物必须面对的二大挑战，深入研究生物的性别发育，不仅具有重要的理论意义，也具有一定的应用价值。目前，人们对生物的性别决定的分子机制还不完全清楚，有关研究尚有待于深入。

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Com p lexity of sex determ ination patterns in organism s

ZHUWei-yun,XIETian-chi,LIPei-qiong,SHEN Ben-chang
(Departmentof Biological Science,Guangzhou MedicalUniversity,Guangzhou 510182，China)

There aremany kinds of sex determ ination patterns in both animals and plants,but the sex determ ination for bacteria is rather simple.The sex development of the human individuals is determ ined by the chromosomal difference,chromosome Y initiates differential expressions of the sex-related genes and plays an important role in the sex determination.For drosophila,the ratio of X/A determines the sex development.Many kinds of the plants are hermaphroditesand do nothave specific sex determination patterns.The sex determ ination forbacteria followsa rather simpleway,the F facter bearing bacterium strains aremale bacteria,otherw ise,the bacterium strainsw ithout F factor are female ones.Generally,the genetic constitution,or the chromosome difference usually determ ines the sex developmental possibility of the organisms,but the environmental factors can control maleness or femaleness of organisms in some kindsof species.In this paper,the differentpatternsof varietiesof sex determinations,their possible molecularmechanismsand the influencing roleofenvironmental factorsare reviewed.

sex determination;sex chromosome;pattern of inheritance;environmental factors

Q311.1

A

2095－1736（2015）03－0084－04

10.3969/j.issn.2095-1736.2015.03.084

2014-08-29；

2014-09-09

2013年度广州医科大学实验教学改革课题（南山班《医学遗传学》实验教学课程的改革）（编号：2013-E09）;

2013年度广州医科大学本科教学质量与教学改革工程《医学遗传学》精品资源共享课教学改革项目（编号：0102-B149025）

朱蔚云，高级实验师，硕士;

申本昌，教授，研究方向为遗传病的分子诊断，E-mail：shenbc@gzhmc.edu.cn。