性别决定与性别控制

第六章 性别决定与性别控制雌雄性别分化是生物界最普遍的现象之一，也是遗传学研究的一个重要内容。在自然条 件下，两性生物中雌雄个体的比例大多是 1：1，是典型的孟德尔比数，这说明性别和其他 性状一样受遗传物质的控制。第一节 性别决定的遗传理论关于性别决定的机制问题，曾有过多种假说，直到1902年，威尔逊（E. B.Wilson）、萨顿 （W.S. Sutton）等首次发现了性染色体后，性别决定自然与性染色体联系起来，逐步形成了性 染色体决定性别学说，这也是目前最流行的学说。在动物中， 除性染色体决定性别外，还 有基因平衡理论、 H-Y 抗原及染色体的倍数等与性别有关理论。一、性染色体类型与性别决定在二倍体动物以及人的体细胞中，都有一对与性别决定有明显直接关系的染色体叫 做性染色体，其他的染色体通称为常染色体。有些生物的雄体和雌体在性染色体的数目 上是不同的，简称性染色体异数。例如，蝗虫的性染色体，即 X 染色体，在雌虫的体细 胞里是一对形态、结构相同的染色体（可用XX表示），但雄虫的体细胞里却只有一条性 染色体（可用 XO 表示）。另一些生物的雌体和雄体的每个体细胞里都有一对性染色体， 但它们在大小、形态和结构上随性别而不同。例如， 猪雄性体细胞中是一对大小、形态、 结构不同的性染色体，大的一条叫X染色体，小的一条叫Y染色体，雌性的体细胞中是 一对 X 染色体。X、 Y 性染色体在形态和内容上都不相同，它们有同源部分也有非同源部分。同源部分 和非同源部分都含有基因，但因Y染色体上的基因数目很少，所以，一般位于X染色体上 的基因在Y染色体上没有相应的等位基因。从进化角度看，性染色体是由常染色体分化来的，随着分化程度的逐步加深， 同源部 分则逐渐缩小，或Y染色体逐渐缩短，最后消失。例如，雄蝗虫的性染色体可能最初是XY 型，在进化过程中，Y染色体逐渐消失而成为XO型。因此X与Y染色体愈原始，它们的 同源区段就愈长，非同源区段就愈短。由于Y染色体基因数目逐渐减少，最后变成不含基 因的空体，或只含有一些与性别决定无关的基因，所以它在性别决定中失去了作用（如果蝇）。 但是，高等动物和人类中随着X和Y染色体的进一步分化，Y染色体在性别决定中却起主 要作用。多数雌雄异体的动物，雌、雄个体的性染色体组成不同，它们的性别是由性染色体差异决定的。动物的性染色体类型分为两大类型。1. XY型 这一类型的动物雌性个体具有一对形态大小相同的性染色体，用XX表示； 雄性个体则具有一对不同的性染色体，其中一条是X染色体，另一条是Y染色体，雄性个 体的性染色体构型为XY,称为雄异配型。属这类性染色体的动物有大多数昆虫类、原虫类、 海胆类、软体动物、环节动物、多足类、蜘蛛类、若干甲壳虫、硬骨鱼类、两栖类和哺乳类 等。此外，在一部分昆虫（如蝗虫）中，雌性个体的性染色体为XX，雄性个体只有一条X染 色体，没有Y染色体，这类雄异配型动物的性染色体用XO表示。2. ZW 型 这类动物与上述情况刚好相反，雄性个体中有两条相同的性染色体，雌性个 体中有两条不同的性染色体。因此，这类动物又称为雌异配型动物。为了与雄异配型动物相 区别，这类动物的性染色体记为ZW型，雌性ZW,雄性ZZ。属于这一类型的动物有鸟类。 在这类动物中，也有和雄异配型动物中类似的情况，雌性个体中不存在W染色体，这类雌 异配型个体的性染色体构型记为ZO型，如极少数昆虫。无论属于哪种性染色体类型的动物，凡是异配性另ll（heterogametic sex）个体（包括XY和 ZW个体）均产生两种等比例的性染色体的配子，对于XY雄性而言，产生带X和Y染色体 的两类精子，对于ZW雌性而言，产生带Z和W染色体的两类卵子；凡是同配性别的个体 （包括XX和ZZ）只产生一种性染色体的配子。当精子、卵子随机结合时，形成异配性别和 同配性别子代的机会相等，因而，动物群体中两性比例总是趋于1：1（图 6-1）。AA+XX()xAA+XY(g)AA+ZW($)x AA+ZZ(g)A+X 1/2A+X 1/2A+Y1/2A+Z 1/2A+W A+Z1/2(AA+XX)($) l/2(AA+XY)(g)l/2AA+ZZ(g) 1/2AA+ZW($)图 6-1 性染色体理论对性比例 1 ：1 的解释A常染色体组X、Y、Z、W性染色体需要指出的是，虽然性别决定的性染色体理论并不适用于整个动物界，特别是在某些更 低等的动物中并不存在真正的性染色体，但对于大多数种类的动物来说，其性别决定与性染 色体理论是完全相符的。二、遗传平衡与性别决定性染色体鉴定出来之后不久，就发现性别决定比初步的观察结果更为复杂。 1932 年， 布里奇斯（CBBridges）在以果蝇为实验材料研究性别决定时提出性别决定的基因平衡学说。 他用经X射线照射后的果蝇与正常的二倍体果蝇杂交，由于X射线导致果蝇在减数分裂中 产生染色体不正常分离，这些染色体组不正常的配子在受精后形成多种不同的染色体组的个 体，从中得到了多种性别畸形类型。在对各种性别畸形的研究中发现，体细胞内X染色体 的数目与常染色体组数的比例同性别有着密切关系，当X染色体数目与常染色体组数之比 值 （用 X：A 表示）等于 1 时，为正常雌性或多倍体雌性，当该比值大于1时为超雌性； 若 该比值等于0.5时为正常雄性或多倍体雄性，小于0.5时为超雄性；当该比值为0.51.0时， 则表现为中间性（图 6-2，表6-1）。二倍加-超堆性三倍体故性三性二借加理性正常雌性三倍被-中间性正常雄性三倍休中间性图 6-2 果蝇性染色体和常染色体间的平衡对性别的影响对表6-1 的分析，在逻辑上可以得出这样的结论： 性染色体和常染色体上都带有决定 性别的基因，看来雄性基因主要在常染色体和Y染色体上，雌性基因主要在X染色体上， 受精卵的性别发育方向取决于这两类基因系统的力量对比。然而，由于各种动物的遗传基础不同，性染色体与常染色体上的性别基因的对比关系以 及X染色体与Y染色体上的性别基因的对比关系不一致。例如在果蝇中，性别只取决于X 染色体数目与常染色体组数的比值，Y染色体的雄性化力量并不大，但人类及哺乳动物的Y 染色体则有强大的雄性化力量，性染色体构型即使是XXXY的个体仍能表现某些雄性特征。表6-1果蝇染色体的比例及其对应的性别类型性别类型X染色体数常染色体倍数AX： A超雌321.50431.33雌性441.00331.00221.00中间性340.75230.67雄性120.50240.50超雄130.33注：超雄和超雌果蝇其外貌像正常的雄性和雌性，但个体很小，生活力很低，且 高度不育；中间性是指性腺，交尾器和第二性征都是雌性和雄性的混合体，且 都发育不全。三、染色体组倍数与性别在膜翅目昆虫的蚂蚁、蜜蜂、黄蜂和小蜂等中，其性别与染色体组的倍数有关，雄性为 单倍体，雌性为二倍体。如蜜蜂的雄蜂是由未受精的卵发育而成的，因而具有单倍体的染色 体数=16)。蜂王和工蜂是由受精卵发育成的，具有二倍体的染色体数(2n=32)。在蜂类的性 别决定中必定有某种与单倍体/二倍体的染色体安排有关联的机制存在。在寄生蜂的一个小 茧蜂属(Habrobracon)中也存在孤雌生殖的现象,这个属的雌蜂都是有20条染色体的二倍体， 雄蜂都是有10条染色体的单倍体。雌蜂源于受精卵，但雄蜂通常出自未受精的卵。四、性别决定基因与性别20 世纪中期以来，人们逐步认识到在动物性别分化过程中， Y 染色体上存在着睾丸决 定因子，它决定了原生殖嵴向睾丸方向分化。因此，对性别决定基因的研究一直集中在探求 哺乳动物Y染色体上的TDF方面。1989年，帕尔默(M.S.palmer)等人在对3个XX男性和一个XX间性人的研究中检测到 了 Y染色体上1A1区段，使TDF基因的搜索范围缩小到区间1A1上的60kb部分。帕尔默 等发现，4位XX男性拥有3540kb的Y特异性序列片段。对这一区域进一步研究发现， TDF位于距拟(伪)常染色体区域的边缘5kb处的一个片段。根据它在染色体上的位置， 人们将其命名为Y染色体性别决定区，即SRY。同时在小鼠中也发现类似的同源序列，称 为Sry。1990年，辛克莱(A.H.Sinclair)等克隆到人的SRY,被认为是性别决定研究的一个里 程碑，包括转基因动物在内的许多实验已证明，SRY就是TDF基因。但近年来的研究表明 SRY并非决定性别的唯一基因，性别决定与分化是一个以SRY基因为主导、多基因参与的 有序协调表达过程。第二节 性别与环境胚胎学的研究证明：早期的胚胎在性别上无雌雄之分，其性腺是中性生殖腺。中性生 殖腺来源于生殖嵴，生殖嵴继续发育形成皮层和髓层两个区，之后中性生殖腺是向雄性还是 向雌性分化，取决于髓层还是皮层的优先启动。如果髓层优先发育，皮层就退化，进而形成 睾丸，同时，睾丸中曲精细管内的间质细胞产生大量雄性激素，促进原生殖管道和外生殖器 向雄性方向衍变。如果髓层不能优先启动，皮层就继续发育，进而形成卵巢，并分泌雌性激 素，促进雌性生殖器的进一步发育。髓层或者皮层的优先启动取决于胚胎性别的遗传基础， 即性别决定。性别决定是性别分化的基础，性别分化是性别决定的必然发展和体现。性别分 化是指受精卵在性别决定的基础上，进行雄性或雌性性状分化和发育的过程，这个过程和环 境具有密切关系。当环境条件符合正常性分化的要求时，就会按照遗传基础所规定的方向分 化为正常的雄体或雌体；如果不符合正常性分化的要求时，性分化就会受到影响，从而偏离 遗传基础所规定的性分化方向。内外环境条件对性别分化都有一定影响。一、激素的影响高等动物中性腺分泌的性激素对性别分化的影响非常明显。第二性征（副性征）一般都 是在性激素的控制下发育起来的，第一性征（如睾丸和卵巢）的发育，也受性激素的直接影响。 激素在个体发育中的作用发生越早，对性别的影响也就越大。“自由马丁牛”和母鸡性反转是关于激素对性别分化的影响的两个典型的例子。早在公 元前一世纪，人们就发现在异性的双生犊中，母牛往往是不育的，这些母牛称为自由马丁。 在人及其他物种中也都发现相似的情形，“自由马丁”一词用来表示异性双生子中的雌性不 育现象。“自由马丁”牛是由于在异性双胎中，雄性胎儿的睾丸优先发育，先分泌雄性激素， 通过血管流入雌性胎儿，从而抑制了雌性胎儿的性腺分化，生出的牛犊，虽然外生殖器很象 正常雌牛，但性腺很像睾丸，使性别成中间性，失去生育能力。同时，胎儿的细胞还可以通 过绒毛膜血管流向对方，所以在双生雄犊中曾发现有 XX 组成的雌性细胞，在双生雌犊中曾 发现有XY组成的雄性细胞，由于Y染色体在哺乳动物中具有强烈地雄性化作用，所以XY 组成的雄性细胞可能会干扰双生雌犊的性分化，这也是雌性雄性化的原因之一。以上事实说 明，虽然性别在受精时已经决定，但性别分化的方向可以受到激素或外来异性细胞的影响而 发生改变。性反转是性激素影响性别发育的第二个生动例子。产过蛋的正常母鸡，有的会变成公鸡， 这种由雌性变成雄性，或由雄性变成雌性的现象称为性反转。母鸡性反转公鸡时，长出雄性 的鸡冠并能啼鸣，最后追逐母鸡，和母鸡交配，成为能育的公鸡。这主要是性激素影响的结 果。产过卵的正常母鸡，由于某种原因卵巢退化消失，处于退化状态的精巢便发育起来，同 时产生雄性激素，母鸡的性征逐渐被公鸡的性征所代替，最后产生正常的精子，使母鸡变成 了公鸡。但母鸡的性染色体组成并不改变，它仍然是ZW。性激素对鱼类性别的影响是显著的，使用雌二醇使遗传上雄性的青鳉（Oryzias lat ipes转换成为功能上的雌鱼，随后又用甲基睾丸酮使遗传上的雌鱼转变成功能上的雄鱼。性激 素还可使金鱼、虹鳟、大西洋鲑、罗非鱼、鲤鱼等获得性反转。更有趣的是鱼类的性腺一 旦被切除，副性征和性行为就会退化，以致消失，但是注射性激素后又可得到恢复。一般 认为，在性分化即将开始而性别尚未决定之前连续投喂伴有激素的饵料，可以控制性别。 但是，已经完成性分化的鱼苗，口服性激素不能完成性反转，只能抑制生殖腺的发育，改 变副性征。在两栖类，也有类似的报道，采用性激素处理非洲爪蟾的幼体，发现雌性激素能使 雄 体反转，而且这些性反转后的雌体也是能育的，与正常的雄体（ZZ）交配可产生全雄后代。二、外界环境条件与动物性别分化（一）蜜蜂的性别前已述及蜜蜂的性别与染色体的倍数有关，雄蜂为单倍体（n =16）,由未受精卵发育而成， 雌蜂为二倍体（2n=32），是由受精卵发育成的。而受精卵可以发育成正常的雌蜂（蜂王），也可 以发育成不育的雌蜂（工蜂），这取决于营养条件对它们的影响。如果受精卵形成的幼虫食2-3 天蜂王浆，经过 21 天发育成为工蜂，它们的身体比正常雌蜂小，生殖系统萎缩，不能与雄 蜂交尾。如果吃上5天蜂王浆，经过16天发育就成为蜂王，它比工蜂大而且是能育的。在 这里，营养条件对蜜蜂的性分化起着很重要的作用。（二）后虫益的性别 海生蠕虫后虫益性别是由环境决定的，这种海生软体动物雌、雄之间体型差异极大，雌 虫体长约8cm,像一粒发了很长芽的豆子，雄虫很小，只有1mm长，寄生于雌虫的子宫内。 成虫的雌体产卵在海里，刚孵出的幼虫无性别差异，至于它们将向哪种性别分化发育，完全 取决于它们随机生活的环境。如果幼虫在海中自由生活，则发育为雌虫；如果因为机会，也 可能由于一种吸力，幼虫落在雌虫长长的口吻上，就发育为雄虫。如果把已经落在雌虫口吻 上的幼虫移去，让其继续自由生活，就发育成中间性，畸形程度视待在雌虫口吻上时间的长 短而定。看来，雌虫口吻部的生理环境是决定性别的关键，后虫益性别不是在受精时决定的， 而完全是由外界环境条件所决定。（三）蛙和某些爬行类的性别这类动物的性别与环境温度有关。在某些蛙中，如果使蝌蚪在20r下发育，形成的幼 蛙群中性比正常雌雄各半；若蝌蚪在30r条件下发育，则全部发育成雄蛙。蜥蜴的卵在 26r27C下孵化成为雌性，在29r下孵化则为雄性。鳄鱼卵在33r下孵化全为雄性，在 31 r下孵化全为雌性，在这两种温度之间孵化则雌雄各半。需指出的是，环境条件只改变性别发育的方向，并不能改变它们的性染色体组成。第三节 性别鉴定与性别控制在过去的几十年里，对哺乳动物的性别控制进行了大量研究，如应用性激素、改变体液 酸碱度、食物营养、饲喂不同金属元素、改变生殖道环境、杀死或灭活带某种染色体的精子 等，但这些方法仅能改变一定性比，达不到完全控制性别的目的，并且这些实验结果常常是 不稳定和缺乏重复性。目前常见的性别控制方法主要是早期胚胎性别鉴定和X、Y精子分离 两种。一、胚胎性别鉴定家畜胚胎性别鉴定通常采用PCR法。该方法的实质是Y染色体上特异片段或Y染色体上 的性别决定基因的检测技术。即通过合成SRY基因或Y染色体上其他特异片段的部分序列作 为引物，在一定条件下进行PCR扩增反应，能扩增出目标片段的个体即为雄性，否则为雌性。 目前，应用PCR技术鉴定胚胎性别的较多，此种方法简单方便，利于普及。除PCR法外， 还有间接免疫荧光法、Y染色体特异性DNA探针法、核型分析法等，这些方法较PCR扩增 法发展缓慢，精确度不高。二、X和Y精子分离技术分离X、Y精子并用于人工授精是控制家畜性别最简单、可行的方法。X和Y精子在密度、 体积、运动特性、电荷、表面抗原及DNA含量等方面略有差异，据此人们设计了多种分离 精子的方法。分离方法主要包括物理分离法、免疫法和流式细胞仪分离法，物理分离法主要 有：密度梯度离心法、电泳法、白蛋白柱分离法，免疫法主要是H-Y抗原法。其中流式细胞 仪分离法具有准确率高、可靠性强、易于重复、较为省时等优点，是最有发展潜力和应用价 值的精子分离方法。经此法所得的精子能以85%95%的准确率产生预定性别的后代。这里 主要介绍流式细胞仪和Perco 11不连续密度梯度离心法分离精子的原理。（一）流式细胞仪精子分离法流式细胞仪精子分离法是根据X、Y两类精子在 DNA含量上的差异来分离精子。通常，X精子的染 色体比Y精子的大而且含较多的DNA。在人上的差 异为2.8 % ，在家畜上的差异介于3.0 %4.2 %之 间，如猪的为3.6 % ，牛的为3.8 %。操作方法是将 精液用活体荧光染料Hoechst33342孵育染色。然后 在精子逐个通过细胞分类器的微柱时，用一束激光 激发荧光染料，使通过微柱的精子发光。X精子发光量略高于Y精子。这种发光量的微小差 别由光学检测器记录并把信号传送给电脑。精液通过激光束后，便被分成微滴。计算机把信 息反馈到产生微滴的部位，使每个微滴带电：X精子带正电，Y精子带负电。当带电精子进 入偏转电场后，两类精子便分别向不同的方向移动，进入不同的容器（图6-3）。（二） Percoll不连续密度梯度离心精子分离法Perco 11不连续密度梯度离心精子分离法是根据哺乳动物的X和Y染色体在大小上的差异 也反映在两种精子的密度上的差异进行分离的Perco 11是一种新的密度梯度介质，是由一种 聚乙烯吡咯烷酮所组成，它不渗入细胞膜，对精子无毒害。操作过程是：用适当的适于精子 存活的生理溶液与Pereo 11配制成712层不连续密度梯度溶液，自下而上由浓到稀地依次 叠放于离心管中，构成分离管，将稀释精液置于分离管中梯度溶液的顶层，经一定速度和一 定时间的离心后，精子聚集在各液层的界面和分离管的底层，在低层的精子含x精子较多， 在顶层的精子含Y精子较多。此基本原理可用模式图表示（图6-4）。V清液精子聚集在液 层界面 和分离 管底层图 6-4. Percoll 不连续密度梯度离心分离法精子三、通过精子的外界条件改变控制性别性别主要是由遗传决定的，但精子在雌性生殖道的运行和受精过程中，所处环境的差异 也将对后代的性别产生一定影响。由于X和Y精子的运动速度、对酸碱的耐受性不同以及寿 命长短的差异，可通过改变精子的外界环境条件在一定程度上控制性别。 1.营养条件，饲料 不足或饲喂酸性饲料多生雄性后代；反之，饲料丰富或碱性饲料多产雌性后代；2.激素水平， 母畜雌激素分泌的增加进而调整雌性动物生殖道内的离子、蛋白、酶和氨基酸等分子的相应 分泌，促使母体的受精环境利于X精子与卵子结合，提高雌性比例；3环境温度，在一定温 度范围内，冷冻精液的解冻温度与精子的活力呈正比关系。解冻的温度越高，精子复活的速 度越快，而活力也越强。由于活力强而消耗的能量快而多，故精子存活的时间短。这样缩短 了 Y精子的寿命，相应延长X精子的寿命和增加了与卵子结合的机会，从而可以提高雌性比 例。本章小结雌雄性别分化是生物界最普遍的现象之一，也是遗传学研究的一个重要内容，性别和其 他性状一样受遗传物质的控制。关于性别决定的机制问题，曾有过多种假说，直到1902年，威尔逊(E. B.Wilson)、萨顿 (W.S. Sutton)等首次发现了性染色体后，性别决定自然与性染色体联系起来，逐步形成了性 染色体决定性别学说，这也是目前最流行的学说。在动物中，除性染色体决定性别外，还有 基因平衡理论、 H-Y 抗原及染色体的倍数等与性别有关理论。性别决定是性别分化的基础，性别分化是性别决定的必然发展和体现。性别分化是指受 精卵在性别决定的基础上，进行雄性或雌性性状分化和发育的过程，这个过程和环境具有密 切关系。当环境条件符合正常性分化的要求时，就会按照遗传基础所规定的方向分化为正常 的雄体或雌体；如果不符合正常性分化的要求时，性分化就会受到影响，从而偏离遗传基础 所规定的性分化方向。内外环境条件对性别分化都有一定影响。在过去的几十年里，对哺乳动物的性别控制进行了大量研究，如应用性激素、改变体液 酸碱度、食物营养、饲喂不同金属元素、改变生殖道环境、杀死或灭活带某种染色体的精子 等，但这些方法仅能改变一定性比，达不到完全控制性别的目的，并且这些实验结果常常是 不稳定和缺乏重复性。目前常见的性别控制方法主要是早期胚胎性别鉴定和X、Y精子分离 两种。与性别有关的遗传有伴性遗传、从性遗传和限性遗传。性状的遗传与性别有关，称为伴 性遗传或性连锁遗传，伴性遗传常见于X染色体和Z染色体上非同源部分基因所控制的性 状的遗传行为。从性遗传中所涉及的性状是由常染色体上的基因支配的，由于内分泌等因素 的影响，其性状只在一种性别中表现，或者在一性别为显性，另一性别为隐性。限性遗传是 指只在某一性别中表现的性状的遗传。复习思考题1. 术语解释性染色体 常染色体 拟常染色体区域 性反转 第二性征 伴性遗传 从性遗传 限性遗传2. 何谓性别决定? 何谓性别分化?3. 动物性别决定理论有哪些? 性别决定的实质是什么?4. 简述环境对性别分化的影响。5. 一个父亲是色盲而本人色觉是正常的女子，与一个色觉正常的男子结婚，但这个男子的 父亲 是色盲，问这对夫妇的子女色觉正常和色盲的可能性各有多少?6. 一个男子的外祖母是色觉正常，外祖父是色盲，他的母亲是色盲，父亲是色觉正常。(1) 推导祖亲和双亲的基因型是什么?(2) 如果他和遗传上与他的姊妹相同的女子结婚，他女儿的辨色能力如何?7. 两个红眼长翅的卡、泾果蝇相互交配，获得下列后代类型：雌蝇： 3/4 红眼、长翅，1/4红眼、残翅雄蝇： 3/8 红眼、长翅，3/8 白眼、长翅1/8 红眼、残翅，1/8白眼、残翅写出亲代及子代的基因型。8. 纯种芦花公鸡和非芦花母鸡交配，得到子一代。子一代个体相互交配，问子二代的芦花 性状与性别的关系如何?若要使子代能够自别雌雄，应如何选择杂交亲本?（刘榜）