两栖动物的性别决定

作者:chess brother

性别决定和分化以及机制是生命科学和发育生物学研究的重要问题之一,科学家们根据相关的材料,逐步揭开了性别决定和分化的神秘面纱。

性别,伴随有性生殖的出现,生物界同种个体之间普遍出现的一种形态和生理上的差异现象。性别间的差异随进化过程中有性生殖的演进而增高。高等生物(如脊椎动物、种子植物)不同性别(雌性和雄性)的个体,在形态、生理和行为上均有极为明显的差异。性别,通俗一点说就是男女、雌雄或公母。

随着性别分化,为了更好地理解和研究性别,性别决定、性别决定方式和性别决定系统等方面也就随之提出。性别决定,从生物育种学看,指有性繁殖生物中,产生性别分化,并形成种群内雌雄个体差异的机理。细胞分化与发育上,由于性染色体上性别决定基因的活动,胚胎发生了雄性和雌性的性别差异。从遗传学上看,则是在有性生殖生物中决定雌、雄性别分化的机制。

不同的生物,性别决定的方式也不同。性别的决定方式有:环境决定型(温度决定,如龟类等爬行类动物);年龄决定型(如鳝);染色体数目决定型(如蜜蜂和蚂蚁);有染色体形态决定型(本质上是基因决定型,比如人类和果蝇等XY型、矢鹅和蛾类等ZW型)等(图1)。这些性别决定的方式能够保证相应生物种群的性别比例,平衡种群中雌雄比例,基本维持在1:1。

迄今为止,脊椎动物中存在有两种主要的遗传性别决定系统,即雄性性染色体异型XX/XY和雌性性染色体异型ZZ/ZW。除此之外,还有相关的性染色体组合形式,如雌性异配子(00/0W或ZZ/Z0)、雄性异配子(XX/X0);更有甚者,性染色体和常染色体之间存在染色体融合(fusions)、裂变(fissions)、易位(translocations),如X1X2Y, XY1Y2 ,or Z1Z2W,经过染色体易位等方式将大量的有利于性别决定和分化的基因聚集,并逐渐特异化,结果产生了新的性染色体,同时这也是性染色体起源和进化的简单模式,如XY型的起源和分化模式(图3)。

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1. ZZ/ZW、XX/XY性别系统演示图(来自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 4)

第一行所示环境决定型(Environmental Sex Determination):龟类和其它一些爬行动物中,性别决定是卵孵化的温度决定的(温度依赖性别决定temperature-dependent sex determination);另外,社会因素也是性别决定的主要因素,比如绿海鞘(marine green spoonworm),生长在海底的幼虫分化、发育成雌体(体长15cm),而接触到雌体的其它幼虫则发育成微小的雄体(体长1-3mm),生活在雌体体内。第二行所示基因决定型(Genotypic Sex Determination):绝大多数的哺乳类和甲虫、许多蝇类以及部分鱼类具有XY性染色体(雄性异型),而鸟类、蛇类、蝶类和一些鱼类具有ZW性染色体(雌性异型)。

 

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2. 动物和植物性别决定系统的多样性。

图中所示包括:脊椎动物:哺乳类(有胎盘类、有袋类和单孔类哺乳动物),鸟类,爬行类(龟类、蛇类、鳄类和蜥蜴类),两栖类(蛙类、蟾蜍类、蝾螈类)和真骨鱼类,以及其他无脊椎动物(包括蜱螨类、甲壳类和昆虫)。植物包括裸子植物和被子植物。两栖动物中绝大多数都是同型性染色体(黄色所示)。(来自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 3)

 

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3. 性染色体分化示意图(以XY为例,XY染色体未按相应比例给出)

A. 起源于常染色体的XY性染色体及其分化:其中一条常染色体获得雄性决定基因(Sry基因)后,在其附近逐渐聚集有利于雄性的基因,逐渐分化,在形态和功能上与X染色体显著不同。B. 性染色体分化水平在不同物种中表现不同,从整个同型性染色体到异型性染色体,从单个基因座(图示河豚)到某一个区域(图示草莓和鸸鹋),再到除了少数能重组区域的人类(图示达尔文),一直到整条Y染色体(图示果蝇)。(来自PLOS Biology, Bachtrog et al., 2014, Figure 1)

 

两栖动物的繁殖和发育都是在水环境或湿润的环境中进行(详见“什么是两栖动物”),所以水环境中的所有因子都会影响两栖动物的生长发育,对两栖动物的性别决定和分化也有很大的影响。除此之外,影响两栖类动物性别决定的因素还有除水因子外的其它环境因子、性染色体、性别决定基因和性激素等。

目前认为,两栖动物的性别决定主要有两种方式,一是基因型性别决定(Gene type sex determination, GSD),二是环境(主要是温度依赖型)性别决定(Environmental Sex Determination, ESD)。基因型性别决定有性别决定基因和性染色体直接决定个体中的性腺发育成精巢或者卵巢,外界环境影响较少。温度是普遍认为是环境性别决定的主要影响因素,环境温度可以诱导或者决定两栖动物的受精卵、胚胎发育,所以每一个个体的性腺都有可能分化成精巢或者卵巢,即每一个都有可能成为雄性或者雌性个体。但是,温度依赖型的性别决定可能还有其它的环境因子的协同作用。已经报道可的温度依赖型的两栖动物有中国林蛙(Rana chensinensis)、北非肋突螈(Pleurodeles poireti)和欧非肋突螈(P.waltl)。

虽然,遗传学上对于两栖动物的性别决定方面的探讨有很多报道,但是在研究的两栖动物物种中,大约4%的种类中观察到或鉴别出性染色体(目前超过1/4的无尾两栖动物已经做了核型检测),原因在于两栖类物种的性染色体是同型的(homomorphic),而不是异型的(heterogeneous),不易被鉴别(图2)。即便如此,有关两栖动物染色体上与性别决定和分化有关的基因已经被发现和克隆,如性染色体上的DAX1(雄性决定有关)、SF1和SOX3(雌性决定有关)等基因;除此之外,常染色体上的DMRT1(雄性决定有关)、SOX9和FOXL2(雌性决定)等。这些基因的发现和克隆,有利于研究两栖动物性别决定和性别分化过程中的特异性表达,以及探讨两栖动物性别决定和分化的机制。但是,在两栖动物染色体上并未发现有人类相同的SRY性别决定基因,只是发现了与此基因相似的基因。

对于基因型性别决定而言,通过性染色体来决定,不受外界因素的影响;而胚胎发育成为雄性或者雌性,主要取决于性染色体的组成,如XY型(ZZ型)将发育成雄性,XX型(ZW型)发育成雌性。XY型是哺乳动物最典型的性别决定组合,而ZW型是鸟类典型的性别决定组合。但是两栖动物中并没有确定的XX/XY型或ZZ/ZW型;现今已经确认或发现过的两栖动物性染色体组合中,既有XX/XY型,也有ZZ/ZW型,如美西螈(Ambystoma mexicanum)、虎纹钝口螈(A.tigrinum)、非洲爪蟾(Xenopus laevis)、非洲箱头蛙(Pyxicephalus adspersus)、德拉平跟蛙(Tomopterna delalandii)、哈氏滑跖蟾(Leiopelma hamiltoni)、大蟾蜍(Bufo bufo)等均为ZZ/ZW型性别决定系统,即雌性为ZW型,雄性为ZZ型。黑斑蛙(Rana nigromaculata)为XX/XY性别决定系统,但是粗皮蛙(Rana rugosa)却同时具有XX/XY和ZZ/ZW性别决定系统(注:两种性别决定系统是独立的存在于不同种群中)。

对于两栖动物的性别而言,繁殖季节可以从外部形态,如第二性征(婚垫、婚刺、婚色、胸部刺团、身体颜色变化等),可以区分出雌、雄性。但是有时候在对两栖动物的性别研究中发现,实际观察到的性别与分子学、遗传学实验的结果相悖,即外部形态表现为雄性(或雌性)的个体,实际上却是雌性(或雄性)。不光如此,两栖动物中不仅仅存在一种XX/XY或ZZ/ZW性别决定系统,而且还同时存在XX/XY、ZZ/ZW两种性别决定系统,或同时存在三种性染色体(Y、W、Z),如热带爪蟾Xenopus tropicalis。Roco et al. (2015) 在对实验室养殖的热带爪蟾株系进行相关实验时,检测三倍体后代的性别比例基本保持1:1,而二倍体后代性别比例却偏离了1:1,而是雌:雄=1:3(图4红色部分),不符合热带爪蟾的ZZ/ZW性染色体决定系统,并且也不能用Z或者W计量效应(dosage effect)来解释。Roco et al. 提出应该是远系繁殖家族的父系(Cam/N/Pacbio)可能存在强雄性决定的Y染色体存在。由此解释如下(二倍体):♂YZ ×♀ZW = ♂YZ+♂ YW +♂ZZ+♀ ZW(性别比例3♂:1♀)。

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4. 热带爪蟾(Xenopus tropicalis)二倍体和三倍体后代的性别比例和家系图。红色框内示雌:雄=1:3。

注:性染色体来源(不同颜色代表不同株系):红色-代表Nigerian株系,蓝色代表Ivory Coast株系,绿色代表PacBio株系,橙色代表Cam4/N 杂交系;ECS表示利用早期冷休克方法抑制极体从第二卵母细胞排出,从而受精后形成三倍体(suppressing polar body extrusion by early cold shock)(来自Roco et al., 2015–Supplementary Information Fig.S3.)。

除此之外,在生物界中还存在一种现象—性反转(sex reversal),即生物从一种性别转变成另一种性别的现象,如黄鳝(Monopterus albus)、欧洲鳗鲡(Anguilla anguilla)、红鲈鱼(Sacura margafacd)以及石斑鱼等生活史中存在性反转现象;人类也存在有性反转现象,如46XX的男性和46XY的女性,是由于SRY基因以及相关基因的异常所引起的。两栖动物蝌蚪可以使用人工雌激素(雌二醇ethynylestradiol或苯甲酸雌二醇β-estradiol 3-benzoate等)和芳香化酶抑制剂(aromatase inhibitor)–法倔唑(fadrozole)进行诱导产生性反转,前者能使雄性反转成雌性,后者可以诱导雌性反转成为雄性。产生性反转的蝌蚪经过一系列的处理后,分化和发育成相应的性别,可以用于遗传学的相关实验。但是性反转是一个十分复杂而又非常有趣的现象,它既受性染色体的决定,也受外部条件或生理、病理条件改变的影响,从而改变的基因的调节,此领域涉及基因的调控、组织的凋亡、激素的分泌、组织的分化和发育等,已成为遗传学研究的热点。

在两栖动物的性别决定中,温度、基因和激素对性别决定和性腺分化有直接或间接的影响,同时基因对于两栖动物性别决定过程中,不可能由某一个或几个基因决定,或许是由许多相关基因共同作用,一些促进卵巢分化、一些促进精巢分化,一些可能对精巢和卵巢的分化都有作用。除此之外,性别决定相关基因的表达(基因表达计量效应gene dosage effect)、基因表达水平和环境因素(如温度)都会通过影响雌、雄激素水平,从而控制性腺的分化,影响性别决定。两栖动物的性别决定体系和因素很复杂,已经成为发育生物学研究的重要课题之一;以两栖动物为对象研究性别分化及其发育过程,主要原因在于两栖动物的性染色体系统已经经过了长期的进化,在性腺分化中有重要的作用。同时,探索两栖动物的性别分化问题,对于现存动物性别决定有着现实意义。

 

延伸阅读:

1. 刘佳等. 2011. 两栖动物性别决定相关基因的研究进展.动物学杂志,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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