第22卷第5期2005年10月
生物学杂志JOURNA L OF BI O LOGY
V ol. 22 N o. 5Oct ,2005
鱼类和两栖类性别决定的研究进展
庞永红, 侯进慧, 董玉玮, 李培青, 刘焕民, 朱必才
(徐州师范大学生命科学学院, 徐州 221116)
摘要:鱼类和两栖类在脊椎动物的演化过程中是非常关键的两个类群, 人们对于这两类动物性别决定的研究已经取得了一些进展。这些进展不仅对动物性别决定演化的研究有基础性贡献, 而且对发展养殖业也有理论指导意义。关键词:鱼类; 两栖类; 性别决定中图分类号:Q492.6
文献标识码:A
文章编号:1008-05-0005-03
性别和生殖是人类感兴趣并为之探究的一个问题, 随着生命科学的发展, 破。, 环境决定型(D 定型(G enetic Sex , G S , 而两栖动物是脊椎动物演化中由水生向陆生过渡的关键类群。这两类脊椎动物对于研究性别决定机制及其演化是非常重要的。关于鱼类和两栖类性别决定的遗传基础研究已经取得了不少成果, 这对于生命科学的基础理论研究和水生动物的养殖业发展都有重要意义。该类研究目前常采用的技术手段有基因标记、分子杂交、雄性胚胎特异表达谱、核型分析、性反转突变或缺失、动物杂交等, 研究对象主要是性染色体和性别决定基因。
1 鱼类和两栖类性别决定的染色体机制研究111 鱼类和两栖类染色体组型的研究
56, 。一般认为, 两栖类核型演微小染色体和端着丝粒染色体因此, 在两栖类高度进化的核型中主要是中部和亚中部着丝粒染色体[2]。
1. 2 鱼类和两栖类染色体性别决定机制的研究
鱼类和两栖类性染色体处在进化的原始状态, 大多不具备异形性染色体, 有些物种仅在性相关区域(sex related
region ) 有分化, 人们甚至对一些种属性染色体的存在与否
也有疑问, 而且它们的性别分化还受温度、光照、激素、代谢物等多种因素的影响, 情况比较复杂。
从染色体角度看, 鱼类和两栖类性别的决定机制比较复杂。根据其方式的不同可分为:(1) 雄性异配子型, 即
XX/XY 型, 属于这种性别决定方式的雌体在减数分裂时
仅能产生同种类型的配子, 而雄性个体则可以产生两种不同的配子, 如鱼类有鲫鱼、胡子鲇、刺鳅, 两栖动物中的蛙科、雨蛙科、细趾蟾科等都属于此种性别决定类型。(2) 雌性异配子型, 也就是ZZ/ZW 型, 这种类型的生物雌雄个体在减数分裂产生配子的情况和上述雄性异配子型正好相反, 即雄性个体的两个性染色体是相同的, 雌性个体中是不同的, 鱼类中的大鳞副泥鳅、两栖动物中的大头蛙、中华大蟾蜍属此种类型。(3) Z O/ZZ 与XX/X O 型, 即两个性别相差1个性染色体, 前者是雌性异配型, 如短颌鲚, 后者是雄性异配型, 如褶胸鱼。(4) 复性染色体决定型, 即
X 1X 1X 2X 2/X 1X 2Y 型, 如Parablennius tentacularis 。(5) 常染色
人们对鱼类、两栖类进行了大量染色体组型方面的研究, 鱼类的染色体数目绝大多数二倍体种类2n =48～50, 有些染色体数目在2n =100左右。一些物种是在2n =48的原始种类基础上, 经罗伯逊易位等途径来增加或减少染色体数目, 也有的物种是以多倍体的形式来增加染色体数目, 比如2n =100的类群。已发现的多倍体鱼类的适应性远胜其二倍体祖先, 多倍体是鱼类进化的一个途径[1]。两栖类的染色体数目相对于鱼类来说普遍下降, 染色体形态大小比鱼类有所增加, 具有染色体大, 数目少, 种间差异小等特征。染色体基本分为两大群:一群形态较大, 有明显的着丝点, 称为大染色体; 另一群形态较小, 没有明显着丝点位置。无尾目是现存两栖类中最高等的一目, 其染色体数目大多为2n =26。有尾目小鲵科的染色体数目较多, 大
收稿日期:2004-
12-21; 修回日期:2005-04-20
体决定型, 性别可能主要由常染色体来决定, 如斑马鱼。
(6) 性染色体和常染色体共同决定型, 有XX AA ♀/X AA Y
♂和ZZ AA ♀/Z AA W ♂型, 在Cypriniformes , Cyprinodonti 2
formes ,Perciformes ,Salm oniformes 和T etraodontiformes 各目的
至少二十多个鱼类物种中已发现以上两种类型, 在两栖类
作者简介:庞永红, 女, 硕士研究生; 通讯作者:朱必才,E -mail :bicaizhu0054@sina.com 。基金项目:国家自然科学基金项目(编号:30270738和编号:30470966) 资助
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无尾目Eleutherodactylus maussi 和Eleutherodactylus riveroi 中也发现了XX AA ♀/X AA Y ♂类型[2～4]。
由此可见, 鱼类、两栖类的染色体组型在不同种类之间存在很大差异, 染色体性别决定机制也是多种多样。虽然目前针对染色体的研究, 不能发现所有类群的性染色体, 但这些基础工作为进一步开展性别决定基因的研究提供了宝贵的资料, 其研究结果也会给后来的研究以启迪。
2 鱼类和两栖类性别决定的分子机制研究
复制使一些功能基因也产生了重复, 但也不能排除一些重复序列是假基因的可能性[8,9]。
目前的研究显示, Sox 基因家族广泛存在于鱼类和两栖类物种中, 其结构和功能有一定的保守性, 与这些动物的发育过程有密切关系, 但没有发现该家族的基因是这些动物的性别决定基因。
212 Dmrt 基因家族的研究
研究者最初在与人性反转相关区段9p2413处发现了
DMRT1(doublesex -and mab -3-related transcription factor
在鱼类和两栖类性别决定的研究中, 人们对哺乳动物的许多性别决定和发育的同源基因进行了研究, 为从分子水平上阐明这些动物的性别决定和分化机制奠定了基础。其中研究较多的是一些属于SOX 基因家族和DMRT 基因家族中的基因, 近来, 人们又逐渐转向寻找鱼类和两栖类动物自身性别决定基因的研究上来, 比如DMY 1) 基因, 该基因具有一个锌酯样的DNA 结合结构域, 称为DM 结构域(DM -domain ) , 但在雌DMRT1和DMRT2两个参与性反, 对Dmrt 基因家族的研究便突显出来。Dmrt1在罗非鱼、虹鳟和两栖动物中的蛙(Rana ru 2
gosa ) 中表达都呈现出雄性特异现象
[10]
鱼将体内的发现就是很好的证明。211 Sox SRY (Sex Determ , 。Dmrt 基因家族同
, 已被确定为哺乳动物睾丸决定基因的候选基因[5]。Sox 基因是与人的SRY 基因的H MG (H igh M obility G roup ) 序列有60%以上的同源性。
Sox 基因家族是在研究性别、发育的过程中发现的。它们
Sox 基因家族都是参与发育调控过程中的重要基因家族,
在鱼类和两栖动物中开展这类基因家族的研究必将会推动性别决定机制的研究。
213 DAX -1基因的研究
DAX -1基因(DSS -AHC critical region on the X chro 2
都具有H MG -box 基序, 可以特异的与DNA 上的序列结合, 导致靶DNA 的弯曲, 在胚胎发育和成体的组织中均有表达。该类基因的功能较广泛, 在早期胚胎、神经系统、晶状体的发育过程中和软骨形成、血的生成以及性别决定等方面都有着十分重要的作用。在哺乳动物中, Sox 基因的功能已有非常系统的研究, 可是在鱼类和两栖类, 特别是两栖类中的研究较少。研究者们对Sox 基因在鱼类和两栖类中保守性和功能进行了分析。
目前在许多种鱼类中都已开展了Sox 基因的研究。比如在黄鳝中, 人们进行了基因定位的研究, 把黄鳝的
Sox 9定位于6号染色体, Sox 17定位于5号染色体上。虽
m osome gene ) 是位于X 染色体剂量敏感性反转决定区(D osage Sensitive Sex reversal ,DSS ) 上的一个候选基因, 与先
天性肾上腺发育不全(Adrenal Hypoplasia C ongenital ,AHC ) 有关, 是一个强有力的转录抑制子。这个基因在人类和鼠类中有过较多的研究, 人们发现DAX -1基因和SRY 基因具有拮抗作用, DAX1表达量的增加可抵消SRY 基因的作用, 干扰睾丸的分化发育, 导致个体向雌性发育[11]。2002年W ang 等人[12]成功地在鱼类罗非鱼(Oreochromis niloti 2
cus ) 中克隆出DAX1基因, 实验表明DAX1在罗非鱼个体
发生过程中雌雄之间没有明显的表达差异, 只是在性分化的关键时期表达量有明显的增加。Sugita J 等人[13]于2001年在两栖类蛙(Rana rugosa ) 中克隆出DAX1基因, 并发现
DAX1在蛙卵巢发育中转录的量逐渐减少, 在发生变态2
然研究结果显示, 黄鳝性别决定与SRY 基因不相关, 但随着研究的深入, 人们发现黄鳝是研究脊椎动物性别发育的很好的模式动物[6]。对它的性别决定机制的研究, 将会推动鱼类中相关研究的开展。研究者们在两栖类的许多物种中进行了Sox 基因保守性分析研究。在非洲爪蟾中的研究也取得了一些新的成果, 发现了在早期发育中发挥作用的Sox 基因家族中的一些新成员。比如Sox 10在非洲爪蟾胚胎神经系统发育中发挥着作用[7]。
另外, 研究者在鱼类基因组中发现了Sox 基因家族中的一些基因具有两个不同序列拷贝的现象, 比如黄鳝有
Sox 9a 和Sox 9b 基因, 虹鳟也具有两个不同的Sox 9基因。
个月后的蛙性腺中, DAX1只在雄性中表达; 而如果用睾丸激素处理雌性蝌蚪, 诱导其发生性反转成为雄性, 则DAX1表达量先下降, 后又迅速上升, 这暗示DAX1与两栖类精巢发育是密切相关的。虽然DAX1并不是鱼类和两栖类性别决定的必须基因, 但它在性别决定和分化中有着重要的作用, 值得进一步地探究。
214 DMY 基因的研究
将在鱼类性别决定研究中, 人们在小型模式动物青鱼
人们推断Sox 基因的重复可能出现在硬骨鱼进化过程中的相对早期, 也许与硬骨鱼整个基因组的复制有关, 这种6
(Oryzias latipes ) 体内发现了一个性别决定基因DMY (DM domain gene on Y-chrom osome ) , 这是首次在非哺乳类的脊
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椎动物体内发现了性别决定候选基因[14]。这个基因的发现弥补了线虫、果蝇与哺乳动物在性别决定研究中的缺
将非常相近的物种和在其它口。但是, 后来在一些与青鱼
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[8]周荣家, 余其兴, 程汉华, SRY 盒基
硬骨鱼类的研究中并未能找到DMY 的同源基因[15]。这说明DMY 并不是一个广泛存在的性别决定基因, DMY 在鱼类中并不像哺乳动物中Sry 基因作为性别决定基因有其广泛性, 鱼类性别决定基因是多种多样的。
3 展望
人们已在广泛的动物类群中鉴定到Sox 和Dmrt 基因家族的存在, 并发现了它们具有保守性, 这暗示基因依赖型性别决定(G S D ) 、环境依赖型性别决定(ES D ) 等不同的机制在分子水平上有其一致性。在动物性别决定的研究中, 人们对于哺乳动物性别决定基因及其体系的研究已经初具规模, 近来在青鱼将中发现的性别决定基因类研究的巨大缺口, 。因此, 的大工程, 其意义也是非常重大的。染色体的分析为发现新的性别决定基因提供了细胞遗传学基础, 我们相信把这两种研究手段紧密地结合起来, 必定会推动性别决定这一问题的解决。
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Advances on sex determination of fish and amphibian
PANG Y ong -hong ,HOU Jin -hui ,DONG Y u -wei ,LI Pei -qing ,
LIU Huan -min ,ZHU Bi -cai
(School of Life Science ,Xuzhou N ormal University ,Jiangsu Xuzhou 221116,China )
Abstract :Fish and am phibian are tw o key groups during the ev olution of vertebrate. Several studies of sex determination of the tw o types of animals have been carried out recently. The advances in this area have obvious and im portant consequences for our understanding of animal sex determination and developing artificial propagation. The advances in this area were reviewed.
K ey w ords :fish ;am phibian ;sex determination
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