性别决定与伴性遗传

1. 性别决定与伴性遗传 Lei Lei Oct. 8，2006

2. 一、性别决定

3. 公元前335年，Aristotle认为妇女是发育过程中过早停止发育的男人，发育停止是由于母体子宫的低温所致，且认为男人比女人更完美，其原因是男人具更多的热量,女性是发育不健全的男性。 以前一千多年间一直认为，妇女为发育不健全的男性，男人的肋骨比女人多一条。 Gelen等首先提出男人与女人的肋骨数相同。以后，很多人认为环境因子，如热、营养等在性别决定中起作用。

4. 1600s/1700s，已认识到女性可以产生能够传递亲本性状的卵子。1600s/1700s，已认识到女性可以产生能够传递亲本性状的卵子。 • 19世纪末之前，人们认为温度、营养、年龄等环境因素决定了性别。 • 20世纪初，Mendel定律重新发现(1900)、McClung发现性染色体(1902)、Stevens(1905)及 Wilson(1905)同时将XX性染色体与雌性相对应，而XY及XO与雄性相联系，提出一特异的核成分在性别表型决定中起作用，即性别由遗传而非环境决定。

5. Correns认为1:1性比是因为雄性中存在杂合子的性别决定因子，而雌性中则存在纯合子的因子。 • 现在认为在不同类型的动物中，环境及遗传因子都能起作用。

6. 一、哺乳动物的染色体性别决定 • 初级性别决定 主要为性腺的决定。哺乳动物中，性别是严格由染色体所决定的，通常不受环境影响。

7. 如果精子既不具X或Y时，则产生的个体形成纤维性性腺，以后不能形成卵子或精子，故第二个X或Y对于形成和维持功能性性腺是必需的。如果精子既不具X或Y时，则产生的个体形成纤维性性腺，以后不能形成卵子或精子，故第二个X或Y对于形成和维持功能性性腺是必需的。 e.g. 基因型为XXY的Klinefelter综合症患者的表型为男性，但不具生殖力；基因型为XO的Turner综合症患者为不能产卵的女性。

8. 性腺的发育 • 性腺的发育为一特异的胚胎学过程，所有别的胚胎器官原基都能正常分化为仅一种类型的器官，如肺原基仅能形成肺，而肝原基仅形成肝。 • 然而，性腺原基则有两种选择，性腺原基分化的形式决定着性器官的发育。 • 在此以前，哺乳动物性腺发育经历一未分化期(indifferent stage)。此期既无雄性又无雌性特征。在人胚第27-30天，原始生殖细胞（PGC）主要存在于后肠，其中有些PGC存在于后肠的内胚层上皮内，嵌在上皮之间。

9. 生殖嵴原基有两种发育方向： Testis－Ovary

12. 人胚第5周时，左右中肾嵴内侧的表面上皮下方间充质细胞增殖，形成一对纵行的生殖嵴腺。此时沿后肠的背肠系膜进入生殖嵴。人胚第5周时，左右中肾嵴内侧的表面上皮下方间充质细胞增殖，形成一对纵行的生殖嵴腺。此时沿后肠的背肠系膜进入生殖嵴。 • 生殖嵴表面上皮受原始生殖细胞的刺激，逐渐增厚，并向上皮下的间充质内以条索状方式增殖。PGC伸入条索内与上皮细胞一起形成初级性索。在XY及XX性腺中，性索都与表面上皮相连，也称此期的生殖腺为未分化生殖腺(indifferent gonad)。

14. 如胎儿为XY，则性索继续增殖至第8周，使髓质不断增厚。而增厚的生殖嵴表面上皮即皮质则逐渐变薄，成为一层间皮，使皮质消失。在皮质与髓质之间的间充质则分化形成一层较厚的致密结缔组织的白膜。如胎儿为XY，则性索继续增殖至第8周，使髓质不断增厚。而增厚的生殖嵴表面上皮即皮质则逐渐变薄，成为一层间皮，使皮质消失。在皮质与髓质之间的间充质则分化形成一层较厚的致密结缔组织的白膜。 • 髓质索发育成长，称为睾丸索，生殖细胞位于睾丸的性索中。在靠近门的部分互相连成睾丸网。在人第4月时睾丸索分化为长袢状的曲细精管。 • 在胎儿及幼儿期直到青春期，这些曲细精管为无管腔的细胞索，由PGC来的精原细胞及髓质索上皮来的支持细胞构成。在胎儿第4-6月，曲细精管之间的一部分间充质细胞分化为间质细胞(Leydig ‘s cell)。

15. 在青春期，性索空心化形成曲细精管，生殖细胞形成精子。精子由睾丸内部通过睾丸网运出，睾丸网与输出管(efferent ducts)相连。这些输出管为中肾的原基，它们将睾丸连于Wolffian管上。Wolffian 管以前为中肾的收集管。 • 在雄性，Wolffian管分化为输精管(vas deferens)，此管将精子运入尿道后，运出体外。与此同时，间质中的间充质细胞分化为睾丸间质细胞(leydig cells)，可产生睾酮。睾丸性索细胞分化为支持细胞(sertoli cells)，起营养精子及分泌抗Mullerian管激素。

17. 原始生殖腺有向卵巢方向分化的自然趋势。 • 在雌性中，生殖细胞停留于性腺的外表面，性索退化而不是增殖。 • 然而，上皮不久就形成一套新的性索，但并不穿入间质深层，只停留在器官的外表，因此也叫皮质性索。 • 这些性索逐渐断裂形成许多孤立的细胞团，即为原始卵泡，中央为PGC来的卵原细胞，后者便变成卵子，而周围的上皮性索将分化成颗粒细胞(granulosa cells)。 • 卵巢的间充质细胞分化为卵泡膜细胞(theca cells)。颗粒细胞与卵泡膜细胞共同形成卵泡(follicles)。一方面包围卵子，另一方面分泌固醇激素。每一卵泡包含一单个的卵子。

18. 人胚自第一月起，PGC及卵原细胞分裂剧烈增多，到第5月时数目达到高峰，此时胎儿卵巢内生殖细胞高达600万个，随后不仅不再分裂，反而大量急剧退化，仅一小部分长大分化为初级卵母细胞。人胚自第一月起，PGC及卵原细胞分裂剧烈增多，到第5月时数目达到高峰，此时胎儿卵巢内生殖细胞高达600万个，随后不仅不再分裂，反而大量急剧退化，仅一小部分长大分化为初级卵母细胞。 • 出生时卵巢内的卵原细胞全部消失，留下的全为初级卵母细胞，约70-200万个。 • 在雌性中，Mullerian管保持完整，将分化为输卵管、子宫、子宫颈及阴道上部。Wolffian 管在无睾酮的情形下，便退化。

19. 哺乳动物性特征的发育机制 LHX9

20. 哺乳动物的初级性别决定： Y染色体上的睾丸决定基因 • 在人和小鼠中，Y染色体的一部分对起始睾丸发育是必需的，未分化性腺分化为睾丸的路径似乎依赖于上皮性索细胞中Y染色体基因的表达，这在用XX及XY卵裂球所制作的嵌合体中得到证实。 • 当制作XX/XY嵌合体时，通常都发育为不育的雄性。这些睾丸的间质细胞由XX和XY细胞共同组成，且证实XX细胞也能形成睾丸结构，但支持细胞几乎总是由XY胚胎而来。

21. 因此，睾丸分化中关键的步骤似乎是支持细胞系中Y染色体上睾丸决定基因的表达。由于支持细胞为睾丸细胞分化产生的第一类细胞，很可能Y染色体的性别决定基因只在这些细胞中起作用，其余别的事件只是后果而已。因此，睾丸分化中关键的步骤似乎是支持细胞系中Y染色体上睾丸决定基因的表达。由于支持细胞为睾丸细胞分化产生的第一类细胞，很可能Y染色体的性别决定基因只在这些细胞中起作用，其余别的事件只是后果而已。

22. 在人类，睾丸决定因子（testis determining factor）位于Y染色体短臂上，出生时只有Y短臂而无长臂的个体为雄性；而出生时具长臂无短臂的则为雌性。现在已分离出Y染色体上的TDF基因。 • 在人类群体中，具有XX雄性（每20,000男人中具1） 及XY雌性。DNA杂交证实，XX雄性中Y染色体1区的Y特异性DNA转位到一条常染色体上。 • 而且，所有的XY雌性中，都缺乏Y染色体的这一区域。已证实睾丸决定基因位于Y染色体的1区，接近于短臂的头部。在小鼠中也已证实为Y染色体的这一区域。

23. 已证实雄性特异性的DNA区编码一223 AA的多肽，此肽可能为转录因子。因此因子具一DNA结合区，称为HMG box (high-mobility group)。此HMG盒在几种转录因子及非组蛋白染色体蛋白中都已发现，可诱导DNA结合区的弯曲，这一DNA称为SRY(sex-determining region of Y)基因。 • 已确定此区确实为人的睾丸决定因子基因，在XY男性及稀有的XX雄性中都有，但在正常XX雌性及很多XY雌性中都缺失。

24. 如果SRY确实编码主要的睾丸决定因子，那么它应在睾丸分化前或分化时作用于生殖嵴。如果SRY确实编码主要的睾丸决定因子，那么它应在睾丸分化前或分化时作用于生殖嵴。 • 在小鼠中，此基因称为Sry，与睾丸的存在相对应，存在于XX雄性，但在XY雌性中缺失。在未分化性腺分化前或分化为睾丸时，在小鼠未分化性腺的体细胞中表达。这是此基因在小鼠胚胎中表达的唯一时间和位置。

25. 当然，Sry基因为睾丸决定因子的最可信证据来自转基因小鼠。如Sry确实作用诱导睾丸，将Sry DNA插入到一正常XX小鼠合子的基因组中，则应诱导此XX小鼠形成睾丸。 • Koopman及同事(1991)将包括Sry基因及调节元件的14 kb的DNA注入到刚受精的小鼠合子的原核中，在几例中，具Sry序列的XX胚胎发育出睾丸、雄性附性腺及阴茎等（未发现功能性的精子。 • 因为已发现在XXY小鼠中及具两个X染色体的男性中，两个X染色体阻止精子形成。由此认为，Sry/SRY为哺乳动物Y染色体上睾丸决定的主要基因。

27. 睾丸决定基因为Y染色体上的SRY (sex-determining region of the Y chromosome) SRY是通过分析XX的men和XY的women的DNA而发现的(1990)。它是一种编码223 aa的转录因子，含有HMG DNA结合区。

28. Sry对睾丸发育的影响的实验证据 小鼠Sry基因也存在于Y染色体上，在未分化的生殖腺和正在分化为睾丸的生殖腺中表达。转Sry基因的XX小鼠可长出睾丸和雄性特征，但不能产生正常的精子。

29. Sry的直接作用模型： Sry直接诱导雄性生殖嵴特异性基因的表达。 Sry的间接作用模型：Sry诱导生殖嵴细胞合成某种因子→中肾细胞进入生殖嵴→诱导生殖嵴表皮细胞转变为睾丸支柱细胞、并表达雄性特异性基因。

30. 与睾丸命运决定有关的常染色体基因 Sox9：为含HMG DNA结合区的转录因子。含一个额外的SOX9的XX 人将发育为男性; 而75%的、只含一个有功能的SOX9的XY人发育为女性或两性人。 小鼠的Sox9只在雄性生殖嵴中表达，表达时间比Sry约晚。Sox9蛋白可与Amh的启动子结合，促进Amh的表达。 SF1(steroidogenic factor 1)：为含HMG DNA结合区的转录因子。Sf1在雌雄小鼠的未分化的性腺中都表达，但分化开始后就局限在XY小鼠的正在发育的睾丸中。SF1在睾丸支柱细胞中通过协助Sox9而增强AMH基因的表达(see next slide);而在睾丸的间质细胞中，它可激活睾丸酮合成酶基因。

31. Sox和SF对Amh基因表达的作用

32. 与卵巢命运决定有关的X染色体基因 DAX1：它编码细胞核激素受体，是X染色体上的潜在的卵巢决定基因。1980年首次发现于XY姊妹中，1994年克隆出基因，其性别逆转是由于2个拷贝的DAX1可以抑制SRY的作用。 小鼠Dax1在生殖嵴细胞中表达，它可能是拮抗Sry的活性而下调sf1的表达。

33. WNT4：是常染色体上的潜在的卵巢决定基因。小鼠Wnt 4在分化前的XX和XY生殖嵴中都表达，其后只在XX生殖腺中表达。 在Wnt4-/-XX小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达Amh和睾丸酮等睾丸特异性标记。 Sry的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表达和促进Sf1的表达。

34. 2. secondary sex determination: • 为性腺以外的身体的表型。 • 雄性有阴茎、精囊腺、前列腺、性别特异性的身体大小、身带软骨及胡须等； • 雌性有阴道、子宫颈、子宫、输卵管、乳腺及性别特异的身体大小等。

35. 第二性征通常由性腺分泌的激素所决定的。然而，在缺乏性腺时，仅产生雌性表型。第二性征通常由性腺分泌的激素所决定的。然而，在缺乏性腺时，仅产生雌性表型。 • Jost(1953) 在性腺分化以前将兔胎儿的性腺去除后，不论它们是否为XX或XY，所产生的兔都为雌性，都具输卵管、子宫及阴道，但缺乏阴茎及雄性附性腺。 • 如无Y染色体存在，则性腺原基发育为卵巢，由卵巢产生的雌激素使Mullerian管发育为阴道、子宫颈、子宫及输卵管。

36. 如Y染色体存在，则形成睾丸，并分泌两种主要激素：一为抗Mullerian管激素(anti-Mullerian hormone,AMH, or Mullerian inhibiting substance, MIS)及睾酮(testosterone), 前者可破坏将形成子宫、输卵管、子宫颈及阴道上部的组织，而后者睾酮则使胎儿雄性化，刺激阴茎、阴囊及其他雄性结构的发育，并抑制乳腺原基的发育。

37. 在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian duct)退化，而中肾管(Wolffian duct)分化为输精管、附睾、精囊。 • 在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分化为输卵管、子宫等。

38. 抗中肾旁管激素(anti-Mullerian duct hormone, AMH)：由睾丸支柱细胞分泌的560aa糖蛋白，其作用可能是诱导中肾旁管周围的间质细胞分泌一种促凋亡因子，使中肾旁管退化。 Mullerian duct Mullerian duct Wolffian duct Wolffian duct cultured in the presence of fetal testis or sertoli cells.

39. 睾丸酮(testosterone) ：由睾丸间质细胞合成，其作用是诱导中肾管分化为输精管、精囊、附睾。 该患者携带SRY基因 testes AMH Mullerian duct degeneration uterus、oviduct testosterone No androgen receptor 输精管、精囊、附睾。

40. 二氢睾丸酮(testosterone) ：由睾丸酮转变而成，其作用是控制外生殖器官的形成。缺少5a-ketosteroid reductase 2的XY个体的外形像female.

41. 雌激素(estrogen) ： 在雌性胚胎中，雌激素由卵巢合成，它诱导Mullerian duct分化为雌性器官。 在雄性胚胎中，雌激素由肾上腺合成，它使中肾旁管细胞吸收睾丸中的水分，有助于增加精子的寿命和数量。

42. (五)、环境因素对性别发育的影响 爬行动物的性别受温度的影响

43. Bonellia的性别取决于幼虫的栖息地

44. 三、哺乳动物的初级性别决定： 睾丸决定中的常染色体基因 • Y染色体上的睾丸决定基因是必需的，但对哺乳动物睾丸的发育是不够的。到目前为止还不知道什么基因受Y染色体上的睾丸决定基因调节。小鼠中，Y染色体基因必须与一些常染色体基因相协调。 • Eicher 及Washburn(1983)发现当家鼠的Y染色体与一特异的实验室用纯系小鼠交配后，在XY个体中发育出卵巢组织，这些XY小鼠中的一半全为性逆转（仅有卵巢组织为性腺），而另一半则包含睾丸及卵巢组织。 • 每一系小鼠的Y染色体睾丸决定基因能与本系的常染色体的性别决定基因(Tda-1)相配合，但并不与另一系的配合，很可能两个品系内基因表达的时间不同。

45. 另一常染色体的性别决定基因是T-相连的性别逆转基因(T-associated sex reversal, Tas)。这一基因与家鼠17 号染色上的T/ｔ基因复合物相隔离。 • C57及AKR系的小鼠都有50%的几率形成雄性，但如果染色体17是由C57系而来的，则AKR的Y染色体没有能力指导睾丸的形态发生，此时，正常的睾丸决定被打乱，每一性腺中为卵巢与睾丸组织的混合物，但还不知道这些基因怎样与Sry基因相作用。

46. 在人类，在极稀有的XY、SRY+女性及XX、SRY- 男性中，已证实除Y染色体外，还需别的染色体上的睾丸决定基因。 • McElreavey及同事（1993）假定还存在一基因Z，其活性为抑制睾丸分化，并刺激卵巢的形成。 • SRY蛋白可能抑制Z基因，从而使得睾丸得以发育。 • 在缺乏SRY的XX雄性中，Z基因被认为是突变了，并无功能性产物产生，从而出现睾丸表型。 • 在具SRY的XY雌性中，被认为Z基因对SRY蛋白的抑制效应不敏感。

48. 四、哺乳动物的次级性别决定 1、性别表型的激素调节 • 初级性别决定涉及从未分化性腺形成卵巢或睾丸，然而这并不产生复杂的性别表型。 • 次级性别决定是由卵巢及睾丸释放的激素导致的雌性及雄性表型的发育。 • 雌性及雄性的次级性别决定具二重要的时空过程；第一个发生于器官发生期，而第二个则在青春期。

49. 如果将未分化性腺从动物的胚胎期去除，便产生雌性表型。当Wolffian 管退化时，Mullerian管则发育。这在一些没有功能性性腺的人类也存在。在仅有X染色体（无Y染色体）的个体中，早期有卵巢发育，但在出生前卵巢肥大，且在青春期生殖细胞死亡。在母体及胎盘来的雌激素作用下，这些胎儿出生时具有雌性生殖道。 • 雄性表型的形成涉及促进 Wolffian管发育及引起Mullerian管退化的睾丸激素的分泌。第一种激素为抗Mullerian管激素，这一支持细胞来的激素导致Mullerian 管的退化。第二种激素为甾醇类激素睾酮，由睾丸的间质细胞分泌。此激素使Wolffian管分化为附睾、输精管及精囊腺，并使泄殖道膨大及泄殖窦发育为阴囊及阴茎。

50. 抗Mullerian管激素（AMH）为一560 AA的糖蛋白，由支持细胞产生。当胚胎睾丸的小块或分离的支持细胞与培养的Wolffian 管及 Mullerian管邻近培养时，Mullerian管肥大，但Wolffian管则无变化，此肥大由细胞死亡及管的上皮细胞转变为间充质细胞以及迁移到别的部位所致。 • Mullerian管对此激素仅在很短的时间内起反应，接近出生时睾丸停止分泌这种因子。