第26卷第12期 2011年12月 现代渔业信息 V01.26 No.12 Dec.,2011 MODERN FISHERIES INFORMATION 鱼类性别决定机制及相关基因x0t-究进展 李云航孙鹏 (中国水产科学研究院东海水产研究所,农业部海洋与河口渔业重点开放实验室) 中国上海市军工路300号邮编:200090 李云航 (上海海洋大学水产与生命学院) 中国上海市I临港新城沪城环路39号邮编:201 306 【提要】鱼类性别决定机制是脊椎动物中最复杂的。同高等脊椎动物一样,鱼类性别决定的基础依然是遗传基因。鱼类的性 别控制对于水产养殖有着十分重要的指导意义。目前用于生产实践的鱼类人工性别控制方法有很多,但大多数仍然处于探索与实 验阶段,理论上的作用机理仍未研究透彻。文章旨在通过对鱼类性别决定机制、性别决定相关基因等方面国内外研究进展的阐述, 为鱼类性别控制、调控养殖鱼类的经济性状如生长率和个体大小等,提供有益的参考资料。 李云航等,201 1。鱼类性别决定机制及相关基因研究进展,《现代渔业信息》杂志,26(12):1O一15。 关键词:鱼类;性别决定;性染色体;性别基因 与其他脊椎动物相比,鱼类分布广,种类多,同时也拥 有最为多样的性别决定方式。鱼类性别决定机制因为其在 脊椎动物系统进化中的承前启后关键地位,而一直被作为 研究的热点之一…。自上世纪九十年代开始,分子生物学技 术发展步伐的突飞猛进为鱼类性别决定的研究提供了条件, 发育的过程;而性别分化则是指建立功能型性别、性别二 态型和次级性征的所有形态和生理变化¨ 。 1.1性染色体的判别 大多数鱼类的性染色体由于处于进化的原始状态,因 此常采用细胞学以外的基因标记法、人工雌核发育、诱发 性逆转、种间杂交和分子杂交等方法确定配子同型或配子 同时已经成为研究鱼类性别决定的重要方法。 鱼类性别决定的基础同高等脊椎动物一样,仍然是遗 传基因。其不同之处在于许多鱼类中,常染色体上的基因也 与性别决定相关 ,而不是明显地集中于性染色体上。这 使得鱼类性别决定机制的研究相较于其他脊椎动物更加困 难。但是这也说明鱼类性别决定机制的研究对于揭示整个 脊椎动物性别决定机制的形成及进化途径具有十分重要的 理论价值 7-10j ̄因此,作者旨在通过对鱼类性别决定机制、 性别决定相关基因、环境因子对性别决定作用等方面国内 外研究进展的阐述,为鱼类性别控制、调控养殖鱼类的经济 异型¨, f 12-15]o最早的基因标记法工作是2O世纪20年代, Winge证明了虹鲻(Poecilia reticulata)具有性连锁基因, 并证明该鱼为雄性配子异型。除虹 外,仅见青鲻(Oryzias latipes)和斑点叉尾鲴(1ctalurus punctatus)具有性连锁基 因 ]。 人工雌核发育是一种无融合或假融合的生殖方式,同 种或异种精子进入卵内,但是不参与发育,只起到诱发作 用,因而卵子完全是在雌核控制下发育成子代的。通过人工 雌核发育,若所有后裔均为雌性,则暗示该种的雌体为配子 性状如生长率和个体大小等,提供有益的参考资料。 同型;如果得到的雌体和雄体数量比接近1:1,则表明该 种的雌体为配子异型 。目前通过人工雌核发育已证明至 少10余种鱼具有性染色体¨ 。 1.2性染色体的类型 1鱼类性别决定 性别决定是指决定未分化性腺向精巢还是向卵巢方向 文稿收到日期:2011-11-03 自Nogusa最早用细胞学手段发现鱼类性染色体之后, 对鱼类核型分析和染色体显带的研究越来越多,但仅仅发 现了极少数鱼的性染色体。鱼类的性染色体具有多样性,除 较为常见的XX/XY型、ZZ/ZW型外,还有XO/XX型和复性 基金项目:国家科技支撑项目(2011BAD13B01)和中央级公 益性科研院所基本科研业务费项目(东2009M05号)资助。 作者简介:李云航(1988.),男,硕士研究生,从事鱼类养 殖生态学研究。E—mail:pfincelyh@163.Qom 染色体型。另外,也有人报道ZO/ZZ型性染色体的存在。 由现有的各方面资料来看,一般认为鱼类性别的性染 第26卷第12期 色体决定类型主要有5种: 现代渔业信息 等动物中也陆续发现了该基因家族。Raymond等首先在人 (1)xx/)(Y型,雌性同配、雄性异配型,这是一种最为 常见的性染色体决定类型。研究发现大多数鱼类的性染色 类睾丸eDNA文库中分离到这类特异基因,分析发现这类特 异基因与果蝇的Doublesex(DSX)基因和线虫的Mab一3基因 一体属于此种类型。如胡鲇¨。{Clariasfuscus)、尼罗罗非鱼n 9 l样,都含有一个锌指样的DNA结合结构域DM—domain, (Oreochromis niloticus)、青锑(0.1atipes)等 。 (2)zw/Zz型,雌性异配、雄性同配型,具有此种类型性 染色体的鱼类如大鳞副泥鳅(Paramisgurnus dabryanus) 、 半滑舌鳎 (Cynoglossussemilaevis o (3)某些种类一个性别少1条性染色体,如XX/XO为雄 性配子异配型;ZO/ZZ型为雌性配子异配型。 (4)X X X:xJx X Y型,即复性染色体型,这种类型的 性染色体仅发现于鱼类中,花鳅 (Cobitis taenia complex) 等属于此类。 (5)常染色体型,如斑马鱼 (Brachydanio rerio)。这 种是以现有技术手段未能发现任何异型性染色体,其性别 决定可能主要依靠常染色体。 有些鱼类甚至存在更为复杂的,与以上任何一种性染 色体组型都不符合的性染色体类型。斑剑尾鱼(Xiphophorus maculatus)有三条性染色体:w、x、Y,其中wY、WX和 XX个体表现为雌性,XY和YY个体表现为雄性。研究表明 这种鱼的祖先具有XX/XY性别决定系统,其性染色体异常 是常染色体基因与性染色体相互作用、基因突变与染色体 重排的结果。 鱼类的性别决定还有一个特点,那就是鱼类性染色体 的出现与否及性染色体的种类与它们的系统进化地位无关。 在亲缘关系较近的种类中,可能会具有完全不同的性染色 体类型 ' ,25-27]o例如尼罗罗非鱼为雌性同配(XX),雄性 异配(XY);而奥利亚罗非鱼则为雄性同配(ZZ),雌性异配 (WZ)。 2鱼类性别决定相关基因研究 随着分子生物学技术的发展,鱼类性别决定相关基因 的研究取得了一些重要进展。在鱼类性别决定的分子机制 研究中,人们对鱼类与哺乳动物性别决定基因的同源基因 展开研究,这为从分子水平上阐明动物的性别决定和性腺 分化机制奠定了基础。其中,研究较多的有芳香化酶基因、 Vaxa基因、Sox基因家族和Dmrt基因等。但是,很多在其它 脊椎动物中与性别决定相关的基因,在鱼类两性中并未发 现差异。因此,目前的研究逐渐向寻找鱼类自身性别决定基 因方面展开。 2.1 Dmrt基因 Dmrt基因家族的一些成员在包括脊椎动物和非脊椎动 物的许多物种中参与了性别决定和性腺分化,因此是第一个 已知保守的性别相关基因家族。该基因家族成员编码产物都 有一个高度保守的锌指样DNA结合基序DM结构域 。Dmrt 最初是在果蝇(Drosophila melanogaster)中发现 ],后来 在哺乳类 如,3J]、鱼类 圳、鸟类 、两栖类 圳、爬行类 同时因为在睾丸中发现,于是命名为Dmrt(DM domain gene expressed in testis o其中Dmrtl是一个性别决定和性腺分化 的相关转录因子编码基因,被认为是脊椎动物中最原始的 性别相关基因,为继Sry、Sox9之后发现的又一个性别相关 的重要基因。该基因是目前发现从果蝇、线虫到小鼠、人类 唯一保守的性别决定相关基因,是脊椎动物的性别决定与分 化的主基因。在小鼠的胚胎中,Dmrtl在雌雄生殖期的早期 都有表达,随后睾丸中表达量增加,而卵巢中表达量减弱 。 在淡水龟类中,Dmrtl基因在雄性的表达量也较雌性高 , 而通过RT—PCR可以在鳄鱼胚胎泌尿系统的早期检测到 Dmrtl的表达,随着性腺的发育,雄性的表达量明显较雌性 的高 。目前在很多鱼类中都克隆到了Dmrtl基因,并发现 其与雄性性腺分化有关。鱼类中,Dmrt基因家族的功能变化 很大,其很多成员都有明显的组织特异性,与性别分化有着 一定的联系。Matsuda等通过对青鲻Y染色体上的性别相关 区段的分析,发现了一个Dmrtl基因的拷贝,即DmrtlY,在 青鳝胚胎发育、幼鱼及成鱼阶段仅在雄性中特异性地表达。 与雄性性别相关的Dmrtl基因已在多种鱼类中克隆并得到证 实,例如,虹鳟Dmrtl的表达就呈现出雄性特异现象 ;在 河豚(/n/ageofrensis)、鲶鱼中,Dmrtl也具有精巢高表达的 两性差异表达模式。在海水鱼类中,有关Dmrtl基因的报道 比较少,仅见到在石斑鱼 和黑鲷 等中的相关研究,结 果也显示出精巢表达强于卵巢的两性差异。Dmrt基因家族 另一成员Dmrt4基因在一些鱼类中也存在两性差异表达,如 在青鲻和河豚中,Draft4基因在精巢中表达高而卵巢中表达较 低 ;而在罗非鱼中,Draft4却在卵巢中特异性表达 。 2.2芳香化酶基因 鱼类性类固醇激素主要包括雄激素和雌激素,雄激素 能促进雄性器官和副性征发育,而雌激素不仅能促进雌性 生殖器官和第二性征的发育、成熟,维持其正常状态,且能 引起雌性动物出现动情期变化。芳香化酶(aromatase)是催 化雄激素向雌激素转化的一个关键酶,它能够催化某些雄 激素(如睾酮和雄烯二酮)转化为雌激素Ⅲ 。因此生物体内 芳香化酶的活性和分布能反映雌激素的生物合成状况。在 芳香化反应过程中,细胞色素P450芳香化酶起主导作用, 对调节整个性类固醇激素的平衡有重要意义。因此,对于 芳香化酶的研究主要集中于细胞色素P450芳香化酶。在大 多数哺乳动物中,细胞色素P450芳香化酶由eypl9(或称 P450arom)单基因编码,该基因属于细胞色素P450基因家 族,其氨基酸序列具有明显的细胞色素P450基因家族的特 征,含有I一螺旋区、跨膜区、Ozol’S肽和亚铁血红素结合 区 Jo eypl9基因的表达受组织特异性的启动子调控,组织 特异性表达是其表达模式的最大特点。人类eypl9基因包含 有一个30kb的编码区和一个93kb的调节区,以单拷贝位于 l2 现代渔业信息 2.4 Vasa基因 第26卷第12期 人染色体组的15q21.2区带,这个调节区包含10个组织特异 性启动子,每个启动子都有独特的DNA调节序列和转录因 子,这些启动子分别对应于脑、血管、脂肪、骨骼、皮肤、性 腺、胎儿肝脏和胎盘等组织和器官。但在鱼类中却发现了由 两种不同基因编码的P450arom,分别来自性腺(cypl9a)和 脑(cypl9b o这两种芳香化酶具有特异性的启动子和不同 的组织分布,表达受不同调节因子影响,在胚胎发育过程中 Vasa基因被认为是一种重要的性腺分化相关基因 是因为其仅在生殖细胞中表达。研究Vasa基因在鲈鱼 (Lateolabraxjaponicus)性腺中与其它组织中的表达强度表 明,Vasa基因在性腺中强表达,而其他组织中不表达,通过 定量表达研究表明,sb—Vasa基因自性腺发育早期开始,贯 穿于性腺分化的整个过程中都有表达。在鲈鱼未受精的卵 有不同时空表达,具有不同的功能。舳 。这种多基因编码同 一细胞中的表达量较高,在仔稚鱼中有所降低,而在生殖细胞 增殖阶段又开始增加。当鲈鱼在高温中培育时,sb—Vasa基 蛋白现象可能是由于进化过程中基因复制时发生串联复 制,然后分散而造成的。单基因多启动子现象则是由于复制 后的聚合形成的。 至今,人们已经从哺乳类 、鸟类 、两栖类 ] 和鱼类中克隆到了P450芳香化酶基因的cDNA。这些eDNA 编码氨基酸序列(特别是在亚铁血红素结合区)具有较高的 同源性,表明芳香化酶在进化上和功能上都是保守的。在一 些鱼类中也已经进行了初步表达研究,结果显示该基因具有 明显的两性差异表达图式,如尼罗罗非鱼的P450aromA在卵 巢的表达显著强于精巢的表达 。在奥利亚罗非鱼中发现, P450aromA只在卵巢中表达 。在橙点石斑鱼( inephelus bleekeri)中,P450arom在卵巢中的表达明显比精巢表达 强。红斑石斑鱼卵巢芳香化酶基因cypl9ala ̄表达于卵巢 的卵细胞周围的滤泡细胞中。在鱼类中还研究了芳香化酶 表达水平和活性与雌激素合成及含量的关系,以及在生殖 细胞发育和成熟过程中的作用。青鲋 和欧洲海鲈 的 P450arom在卵巢中表达,精巢中几乎不表达。结果表明,莫 桑比克罗非鱼(Tilapia Mossambica)的研究表明,卵巢芳香 化酶mRNA水平及蛋白含量与其卵巢合成1713一雌二醇的能 力密切相关。Young等以马苏大麻哈鱼滤泡膜颗粒细胞层分 泌1718一雌二醇的水平来研究芳香化酶活性随性细胞发育过 程的变化,结果表明,颗粒细胞层1713一雌二醇在卵黄形成 期呈上升趋势,到卵黄形成末期达到最高峰,之后迅速下 降,卵子成熟时达到最低点。因此,可以认为芳香化酶的活 性对鱼类卵母细胞的发育有重要作用。 2-3 Sox基因 Sox(Sry—related box)基因家族编码含有可结合DNA的 高迁移率基团HMG的转录因子。Sox基因参与包括性别决定 与性腺分化在内的多个性腺发育事件。其中受到较多重视 的是Sox9基因,其HMG结构域可与DNA序列特异性结合, 而该区域的突变将会使其失去结合能力从而导致性反转。 Sox9在大鳞副泥鳅(Monopterus albus)精巢中高表达, 表明该基因与精巢形成和分化有关。而青鲻中则主要在成 鱼的卵巢中表达,在精巢中的表达较少,表明其在青鲻的性 腺分化过程中具有不同的作用方式。sb—Soxl7在孵化后第 150天开始在鲈鱼性腺中表达,正好与性腺分化的开始事件 相吻合;从孵化后第250天开始,sb—Soxl7表达量在雌性个 体中显著地增高,其mRNA水平与性腺中芳香化酶的活性 水平相一致,表明其在性腺分化与卵巢发育中具有十分重 要的作用 。 因表达水平进一步提高,这可能与其高温培育下鱼体细胞 和生殖细胞的快速增长有关。此外,在性腺分化之前到第一 年末期的一段时间内,Vasa基因具有差异性的表达,其在雌 性个体中的表达量较雄性中高。 2.5 Dmy基因 研究表明,青鲻体内存在一个性别决定基因Dmy(DM domain gene on Y—chromosome),这是首次在非哺乳类的脊 椎动物体内发现的性别决定候选基因 。Dmy是一种精巢 分化的决定基因,类似于在哺乳动物中在性类固醇激素合 成前便起始精巢分化的Sty,其发现暗示鱼类可能存在与哺 乳动物相似的性腺分化模式。然而,随后的研究发现,一些 与青鲻亲缘关系较近的物种及其它硬骨鱼类中均未能发现 Dmy基因的同源基因,这表明它不具有哺乳动物中的Srj基 因作为性别决定基因的普遍性,因此不是一个鱼类中广泛 存在的性别决定基因 。 2.6其它性腺分化相关基因 近年来的研究表明,除了以上提到的几种研究较多的 基因外,出现了另外一些与性别决定与性腺分化相关基因 的研究报道。在鱼类中,Daxl、Wtl、Foxl2和Sfl这四种基因 发现都与芳香化酶基因的表达有关,并且参与其转录调控。 而Foxl2基因参与虹鳟、青鲻、罗非鱼等鱼类中芳香化酶基 因的转录调控。研究发现,抗缪勒管激素基因Amh(属于转 移生长因子p(TGF—p)超家族成员)在多种鱼类精巢中特异 性表达。 3总结 鱼类的性别决定机制的研究是对鱼类进行性别控制的 基础。对水产养殖来说,许多鱼类雌雄鱼的经济性状如生长 率和个体大小等存在明显差异。有些鱼类的生长和生理特 性与性别有着密切联系,如罗非鱼中,雄性的生长速度大于 雌性;雌性草鱼和鲤鱼的生长速度分别比雄性个体快,同 时抗病性也与雄性有差异。这些经济性状与性别有关联的 经济品种,通过养殖单性鱼能大幅提高养殖产量。因此,鱼 类性别决定和分化的机制及性别特异标记的研究,可以广 泛应用于水产养殖。 上世纪末,在人类Y染色体上发现了性别决定基因Sry, 进而发现了sox基因家族,促进了以哺乳类为代表的动物性 别决定和分化机制和级联模式的研究。相较于哺乳动物,鱼 第26卷第12期 现代渔业信息 [16]山本时男,张玉书.鱼类性分化的遗传学和发生生理学研究[J]. 淡水渔业,1979(4):32—35. 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(I.Key and Open Laboratory of Mairne and Estuarine Fisheries,Ministry ofAgficulture,East China Sea Fisheries Research Institute,ChineseAcademy ofFishery Sciences,Shanghai 200090,China;2.College offisheries andlife,ShanghaiOcean University,Shanghai 200090,China) Abstract:Sex determination in fish is a complicated process.Just as other species,the sex determination in fish is still based on the molecular genetic.The sex control of ifsh has a great meaning to aquaculture.At present,there are many ways used in the production of artificial sex control in fish,but most are still at the exploratory and experimental stage.Theoretical mechanism is still not study thoroughly.In this review,progress on sex determination and gonadal differentiation of ifsh was summarized,and it will provides the refeFence for the further research. Key words:fish;sex determination;sex chromosome;sex determining gene (上接第19页) [29]崔建洲,申雪艳,宫庆礼.高效液相色谱一紫外/荧光检测方法 [32]Watabe S,Sata Y,Nakaya M,et 1a.Monoclonal antibody raised 测定河豚毒素[J].色谱,2006,24(3):317—320. against tetrodotonic acid,A derivative oftetrodotoxinl J J.Toxicon, [3o 3吴平谷,赵永信,沈向红.河豚鱼中河豚毒素的气相色谱质谱 1989,27(2):265—268. 法测定[J].中国卫生检验杂志,2009,19(3):549—551. [33]Matsumura K,Fukia S.Inderect competitive enzyme immunoassay [31]李爱峰,于仁成,周名江.液相色谱一电喷雾离子阱质谱联用分 for tetrodotoxin using a biot in avidin system l J].JAOAC Int, 析河豚毒素[J].分析化学,2007,19(3):397--400. 1992,75:883—886. Progress in Study of the Methods in Detecting and the Origin on the Tetrodotoxin CHEN Yong—ping,ZHANG Su-qing,LI Chun—qing,GAO li—na (Monitoring nad Inspecting Center ofFisheries Environment and Aquatic Products Quality{Tinajin), Ministry ofA ̄Hculture,Tianjin 30022 1,China) Abstract:Origines of Tetrodotoxin is analized from different experts.Explaining that Tetordoto-xin is the result of natural selection for a long time evolution from the angle of molecular genetics.This article briefly reviews the progress in its common detecting methods.Tetrodotoxin is one of the strong marine neural toxins which block sodium channels.from the present situation at home and abroad,the article shows detection measure ofr the Tetrodotoxin and its abroad application in the medical ifeld about the tetrodotoxin. Key words:tetrodotoxin;origin;detection