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鱼类性别决定机制的研究进展

2020-05-03 来源:钮旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 鱼类性别决定机制的研究进展 杨 洁 ,吴宏达 ,范兆廷 (1.东北农业大学动物科学技术学院,黑龙江哈尔滨150030;2.黑龙江省科学院畜牧研究中心,黑龙江哈尔滨150086) 摘要:鱼类的性别决定受多方面的调控,主要可分为基因型性别决定和环境型性别决定。文章阐述了 鱼类性别决定机制方面的研究进展,近期的研究热点是性别决定的分子机制。 关键词:鱼类;性别决定;分子机制 中图分类号:Q132.1:Q953 文献标识码:A文章编号:1002—2929(2007)03—0014—06 性别决定是确定性别分化的方向,指决定未分 别决定基因决定性腺的分化方向。 化性腺向精巢方向发育还是向卵巢方向发育的过 1.1染色体性别机制 程_11。鱼类性别决定是发育生物学中一个重要的理 几十年的细胞遗传学研究表明,在已发现有性 论问题,全面了解鱼类性别决定的机制和其发育生 染色体异型的鱼类中,几乎包括了动物世界所有性 物学原理,对实现鱼类性别比例的控制具有非常重 染色体类型。据统计,目前世界上大约有1 600多 要的实践意义。对鱼类的性别决定机制进行广泛和 种真骨鱼类进行过染色体组型的研究,其中大多数 深入的研究,不仅可以通过性别分化来研究动物的 鱼类用常规核型分析方法都很难分辨出性染色体或 进化过程,而且可以通过性别调控实现单性化养 者是没有性染色体异型。即便如此,人类还是发现 殖,对水产养殖有重要的实用意义。 了许多鱼类存在性染色体现象。1989年前,已被 鱼类的性别决定机制是多种多样的,总体来 证明具有性染色体机制的种类只有72种,这其中 说,鱼类的性别决定有基因型性别决定(Genetic Sex 大部分种类是通过雌核发育或其他遗传学方法证明 Determination,GSD)和环境型性别决定(Environ— 的。也就是说,鱼类中多数具有性染色体的种类, mental Sex Determination,ESD)两种类型。GSD指 其性染色体并不存在形态上的异型现象。近年来, 子代的性别主要由遗传基因来决定,胚胎发育成雌 国际上发现20多种有性染色体的鱼类_2-7J。又如花 性或雄性取决于其染色体上性别决定的基因或性染 斑剑尾鱼(Xiphophorus maculatus)经遗传学研究证 色体的组成;ESD指子代的性别主要由环境因子决 明有性染色体存在,但在细胞学上却鉴定不出罔。 定,受精卵所处环境的温度、湿度、pH值及一些 综合各方面的观点,一般认为鱼类性别的染色 不确定的因素均有可能影响到子代的性别。 体决定类型主要有以下几种类型。 1基因型性别决定 (1)雄性异配子型,即雄性减数分裂时可产生 在基因型性别决定的类型中,较为进化的种类 两种不同的配子。如在鱼类中最普遍的XX—XY类 形成了性染色体,而相对低等的种类的性别决定基 型,大多数鱼类属于这种类型,如莫桑比克罗非鱼 因则可能分散在常染色体上或者是常染色体上的性 (Orechromis mossambicus)、尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)、虹鳟(Oncorhynchus mykiss)、鲤(Cypri— 收稿日期:2007—04—02 lZlI ̄S carpio Linnaeus)、胡子鲶(Clarias fuscus)、青 作者简介:杨洁(1982一),女,硕士研究生,研究方向:水产 动物育种。 (Oryzias latipes)[93等。又如XX—XO类型,其雄性 通讯作者 有一条染色体缺失,即从雄性处获得x染色体的 渔业经济研究2007年第3期 —.14—. 维普资讯 http://www.cqvip.com 后代为雌性,未获得性染色体的为雄性,即雄性的 性染色体对后代的性别有决定性作用ll2J。褶胸鱼 (Sternoptyx diaphana)、宽鳍珍灯鱼(Lampanyctus rit— teri)等属于这种类型。 了一定的进展。 1.2.1重复序列 重复序列与基因进化有着密切的联系。已有一 些研究证明在性染色体的分化进化中,重复序列可 能起着一定的作用,但其是否一定构成性别决定基 因仍有待研究l18-221。 Borkhsenius等ll8J通过研究红大麻哈鱼(Onco— rhynchus nerka)中Sau3A重复序列,证明Sau3A影 响0.nerka的性别决定。Nanada等ll9-2o]先后对网纹 ¥ ̄(Poecila reticulata)和标识斑剑尾鱼(Xiphophorus (2)雌性异配子型,即雌性的配子类型决定后 代的性别。如ZW—ZZ类型,w和z染色体是决定 性别的染色体。日本鳗鲡(Anguillajaponica)、奥 里亚罗非鱼(Orechromis aure 、大鳞副泥鳅(Para— misgurnus dabryanus)[111、Tripportheus[ 等属于这种 类型。又如ZO—ZZ类型,与XX—XO类型不同的 是,缺少一条染色体的是雌性,即能获得雌性z 染色体的后代为雄性,反之,为雌性。短颌鲚 (Coilia brachygnathus)等属于该种类型。 maculatus)的性染色体上的重复序列进行了研究, 认为重复序列是性染色体分化必需的组成部分。 Stein等『2IJ通过对大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus tsch— (3)复性染色体决定型,一种多个性染色体的 性别决定的类型。如x。X。X2X ̄X。X Y型,包括鱼类 awytscha)中重复序列的研究发现,串联重复DNA 是鉴定其是否具有Y染色体的可靠标志。 1.2.2芳香化酶基因 锈色阿湖鲅鲩鱼(Awoous aeneo c )、一种墨西 哥鲔科鱼类(Megupsilon aporus)、Parablennius ten— tacularis[ 。】等。 芳香化酶是一种膜结合酶,能将雄激素转化为 雌激素,同时芳香化酶是催化雌二醇合成的关键 酶l33J。在虹鳟(Oncorhynchus mykiss)和尼罗罗非鱼 (Orecohromis niloticus)的性分化期,芳香化酶在所 (4)常染色体决定型,性别可能主要由常染色 体上的性别决定基因来决定,如斑马鱼(Brachy— danio rerio)『I4】。 有XX雌性性腺呈高水平表达,而在XY雄性性腺 的表达却很低[221。对日本比目鱼(Paralichthys o砌n_ celts)和尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)芳香化酶 (5)性染色体和常染色体共同决定型,在cv— priniformes,Cyprinodontiformes,Perciformes,Sal— moniformes等目中,至少发现20多个鱼类物种具 有XXAA /XAAY 6决定型和ZZAA /ZAAW 6决 定型【 。 基因的表达及作用研究表明,温度升高时,两种鱼 的性别偏向于雄性,同时,鱼体内芳香化酶的 mRNA水平下降,雌二醇水平也降低阻241。Kwon 等[25-26]用一种芳香化酶的化学抑制剂处理YY雄性 尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)鱼苗,发现能抑 制高温时的雌性化。 1.2.3 Sox基因家族 可见,鱼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的。 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。 1.2分子性别决定机制 y(Sex Determining Region,Y)作为Sox基 因家族的代表,对于哺乳动物睾丸的发育有着决定 性的影响。我国学者在对鱼类SRY基因同源性研 随着分子生物学技术的迅猛发展,对鱼类性别 决定的研究也逐渐在分子水平上进行。如:Sakamoto 等【 绘制了虹鳟(0.mykiss)微卫星连锁图谱,得出 究中发现,经性激素诱导发生性反转的鱼类(泥鳅、 大鳞副泥鳅和黄鳝等)有与SRY结合的同源片 断 。Sox基因在哺乳类性别决定中有重要作用, 其功能已有非常系统的研究[28-30]。Sox9是另一个在 早期生殖嵴中表达的Sox基因,它与Sox3基因一 雌、雄鱼染色体端区重组率有差异;Almeida—Tole 等旧分析了Gymnotiforms的一种雄鱼Y染色体中粒 区和雌性相应端区,认为其上存在少量的G+C丰 带可能是鱼类性别基因分化中比较普遍的现象。鱼 样也在其他组织中表达,尤其是在软骨组织中I3l】。 Sox9最初在雌雄生殖嵴中都表达,直到SRY基因 渔业经济研究2007年第3期 类性染色体上有关性别决定的基因的研究已经取得 一15一 维普资讯 http://www.cqvip.com 开始表达,随后Sox9基因的表达局限于雄性生殖 Related Transcription Factor 1)基因的拷贝,命名为 嵴,紧接下来就是支持细胞的发育,因此,有人称 R 1y ,它具有与DMY相似的性别决定作用。 之为支持细胞分化因子吲。Sox9已被证明是参号I生 DMRT1本来是近年新克隆到的,被认为是脊椎动 别决定的基因,在雌、雄I生别的基因组中均存在[331。 物中最原始的性别决定基因,位于常染色体上(即 目前在许多种鱼类中开展了Sox基因的研究。 在雌雄性基因组中均存在),但雌雄中的表达不同。 比如在黄鳝中,把黄鳝的Sox9定位于6号染色体, DMRT1在罗非鱼和虹鳟中表达都呈现出雄性特异 Sox17定位于5号染色体上,但是研究结果显示, 现象[431。Guan等【删用雄激素处理遗传上XX罗非鱼 黄鳝性别决定与SRY基因不相关[201,接下来, 幼鱼,发现DMRT1在罗非鱼性逆转成体精巢中呈 Wang等[341在黄鳝上分离、克隆了Sox基因;常重 特异性的表达。 杰等[35-37]在对泥鳅和大鳞副泥鳅Sox8和Sox9基因 1.2.6 DAX一1基因 的保守性分析中未发现I生别特异性的杂交带;通过 DAX一1基因(DSS—AHC Critical Region on the Northern杂交分析表明,Sox9与精巢形成和分化有 X Chromosome Gene)是位于x染色体剂量敏感性 关,并发现在大鳞副泥鳅中的Sox9基因有内含子。 反转决定区(Dosage Sensitive Sex Reversal,DSS)上 陈金平等[381对史氏鲟和大麻哈鱼Sox基因保守区和 的一个候选基因,是一个较强的转录抑制子。 Sox9基因保守区内含子的遗传变异性进行了研究, Wang等[451通过在罗非鱼(Oreochromis niloticus)中克 结果表明大麻哈鱼存在两种不同形式的Sox9基因, 隆出DAX一1基因,发现DAX一1在罗非鱼性分化 其内HMG box内含子分别为303 bp和258 bp,史 的关键时期表达量有显著的增加,但在雌雄之间没 氏鲟Sox9基因内含子为572 bp。 有明显的表达差异。尽管DAX一1并不是鱼类性别 另外,学者在研究黄鳝和虹鳟的Sox基因家族 决定的必需基因,但其在性别决定和分化中的作用 发现,它们各具有2个不同的Sox9基因,黄鳝的 不容忽视。 为Sox9a和Sox9b基因。人们推断Sox基因的重复 2环境型性别决定 或许与硬骨鱼整个基因组的复制有关,或许一些重 在高等脊椎动物中,如哺乳类和鸟类的胚胎性 复序列实际上是假基因 。 别主要由受精时两个配子所携带的性染色体上的遗 1.2.4 DMY基因 传基因决定;而低等脊椎动物,如鱼类的性别决定 鱼类性别决定研究中,人们通过对青鲔 并非如此。这种遗传性的决定不是一成不变的,在 (Oryzias latipes)Y染色体上的性别决定相关区段 鱼类胚胎发育过程中,原始的生殖腺同时具有向雌 的分析,发现了一个只局限于在XY精巢中表达的 性和雄性发展的双向潜力,某些外部和内部因素, 性别决定基因DMY(Doublesex/Mab一3 Domain of Y 如水温、光照以及激素、代谢物等都可能通过某种 Chromosome)[4Ol。DMY基因是第一次在非哺乳类的 途径改变号I生别决定有关的某些生理生化过程,从 脊椎动物体内鉴定出的性别决定候选基因。并不是 而影响鱼类的性别分化。 青 的所有种系都存在DMY,现阶段其他的硬骨 2.1性激素 鱼类种也未发现其同源基因【4l1。所以,DMY并不 自从Yamamoto用类固醇激素使鱼的性别发生 是一个广泛存在的性别决定基因,不同种或不同品 逆转后,激素性逆转就被用于生产单性群体。它既 系的鱼类间可能存在不同的性别决定基因[4Ol。 可用于养殖,也能用来阐述鱼类的性别决定[461。性 1.2.5 DMRT基因家族 激素能定向诱导鱼类性腺分化已被普遍认同,其效 DMR T1(Doublesex—and Mab一3一Related Trans— 果十分显著。 cription Factor 1)基因具有一个锌酯样的DNA结 在性分化即将开始而性别尚未完全表达出来 合结构域,称为DM结构域(DM—domain)。人们认 前,性激素可控制性别的分化,改变鱼类性别。在 为它是脊椎动物中最原始的性别决定基因。随着研 性分化后,性激素仅能起改变副性征、抑制性腺发 究的进行,从青 中克隆出了一个DMRT1(DM一 育的作用。日本生物学家山本时男曾用雌二醇使遗 渔业经济研究2007年第3期 一.16— 维普资讯 http://www.cqvip.com 传雄性的青 成功的转化为生理上的雌鱼,又用甲 基睾酮使遗传上的雌鱼转变成生理上的雄鱼。Feist 等[471曾报道,在鲑科鱼类性分化过程中,体内甾类 激素含量呈双峰模式。Piferrer等【删使用芳香化酶抑 制剂诱导大鳞大麻哈鱼产生(Oneorhynehus tsch— 响性别决定的基因位点、这些位点之间的相互关系 和相互作用以及外界因素如何通过调控性别决定位 点来影响鱼类性别分化等。同哺乳动物性别决定基 因及其体系的研究成果相比,鱼类性别决定的研究 仍然任重道远。 【参考文献】 awytscha)全雄种群。Fitzpatirck等[491在成熟硬骨鱼 类性腺中发现了一种与雄性类固醇有高亲和度的雄 激素受体。Hines等 用抗雌激素处理遗传上为雌 性的罗非鱼导致精巢发育。 2.2环境因素 [I]王德寿,吴天利,张耀光.鱼类性别决定及其机制的研究进展啪. 西南师范大学学报(自然科学版),2000,25(3):296—304. [2]Born G G,Bentrollo L A.An XX/XY sex chromosome system in a fish species,Hoplias ma!abaricus,with a polymorphic NOR bear— 鱼类的生存环境可分成两类:理化环境和社会 环境。理化环境因素包括温度、pH、光照、盐度、 碱度等。 在一定温度下,温度可以影响基因对性别的决 定,从而导致鱼类性别的转变。温度影响性别在许 多鱼中都有报道,如大西洋月银汉鱼(Menidia menidia)、牙银汉鱼(Odontesthes argentinensis)、红 大麻哈鱼(Oncorhynchus nerka)、斑点叉尾 ̄(Icta— lurus punctatus)、矮丽鱼(Apistogramma spp)、牙鲆 (Paralichthys olivaceus)和罗非鱼(Oreochromis spp) ing X chromosome I J1.Chromosome Res,2000(8):1 1 1-1 18. [3]Almeida-Toledo L Daniel-Silva M Lopes C E,et a1.Sex ch— romosome evolution in fishⅡ.Second occurrence of an X1XzY sex chromosome system in Gymnotiformes[J1.Chromosome Res, 2000(8):335-340. [4】Ueno K,Ota K,Kobayashi Heteromorphic Sex chromosome of Lizardfish(Synodontidae):Focus on the ZZ—ZWlW2 system in Trachinocephalus myops[J].Genetica,2001,111:133—142. [5]Almeida-Toledo L Forresti F.Morphologically differentiated sex chromosome in neotropical fresh water fish I J1.Genetica,2001, l11:91—100. 等。在罗非鱼中,尼罗罗非鱼和奥利亚罗非鱼在高 温(34~37℃)时产生较高的雄性率,而莫桑比克罗 非鱼则在低温(19℃或2O℃)时能增加雄鱼比例。欧 洲舌齿鲈(Dicentrarchus labrax)在低温下雄性多[5l1。 研究发现,酸性条件下(pH=6.2),剑尾鱼 [6]Artoni R F,Berrtollo L A.Trends in the karyotype evolution of orciarLiidae ifsh(Siluriformes)啪.Hereditas,2001,134:201-210. [7]Jorge L C,Moreira—Filho O.Cytogenetics studies on Apareiodon (Xiphophorus heUeri)100%发育为雄性,但在弱碱 性条件下(pH=7.8),则产生98%的雌鱼。Romer和 afinifs erciformes,Blenniidae)form Parana river basin:Sex chro- mosomes and polymorphism[J1_Genetica,2000,109:267-273. Beisenherz在黑肚花 (Poecilia melanogaster)中也 得到类似的结果。 [8]刘良国,赵俊,崔淼.鱼类的性别决定与人工控制I J1.水产科 学,2003,22(2):42—45. [9]Traut W,Winking H.Meiotic chromosomes and stages of sex b chromosome evolution in fish:Zebra fish,platy fish and guppy IJ]. 社会环境因素包括群体结构、性别比例等。 Francis发现群体结构能影响天堂鱼(Macropodu sope— rcualris)的性别,单独的个体倾向于发育成雄性, 而合群的鱼分化为雌性。 综上,由于鱼类在生物进化上的原始性,鱼类 有GSD和ESD两种性别决定机制。这两种机制互 Chromosome Res,2001,9(8):659—672. fJ oJ董在杰,袁新华,缪为民.鱼类性别决定和分化及其研究方法 综述[J1.湛江海洋大学学报,2004,24(6):74—79. [1 1]常重杰,余其兴.大鳞副泥鳅ZZ/ZW型性别决定的细胞遗传学 有关联,在很多鱼类中,它们协同作用,决定了鱼 类的性别。至于GSD与ESD机制间究竟如何相互 证据[Jl_遗传,1997,19(3):17—19. [12]Artoni R F,Falcao J N,Moteira-Filho O,et a1.An uncommon condition for a sex chromosome system in Characcidae fish. Distibutrion and differentiation of the ZZ/ZW system in Trippor一 作用,仍需要进一步研究。 随着现代生物学技术的不断发展和完善,鱼类 性别决定及分化的研究主要是从分子机理上阐明影 一l7一 渔业经济研究2007年第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com H theus[J].Chromosome Res.2001(9):449—456. 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