背景故事
众所周知,人类是XY基因型的动物,也就是说XX为女性,XY为男性。通过简单的比较,我们可以发现,Y染色体的存在是引起男性发育的重要原因。如果没有Y的积极参与,将会发生什么事情呢?事实上,在没有Y染色体参与的情况下,胎儿将经历女性化发育,类似于蜜蜂的”孤雌生殖”,早就的是一方女儿国。
男性体内的精子可以分为两大派别,一派是带有X染色体“X派”,另一派则是带有Y染色体“Y派”,它们势均力敌,理论上讲数量各占一半,在性别的争斗中可谓分毫不让。“Y派”内部又是什么样的情况,会不会也有不同的党派,发挥着不同的作用呢?
是的,看似小巧的Y染色体内部是有很多基因组成的,其中不得不说的“大长老”就是SRY基因。位于Y染色体上的SRY基因对雄性分化很重要,在决定Y染色体话语权方面发挥着重要的作用,始终坚持引领众多基因冲向“正太”的怀抱。
性基因是决定传宗接代的大事情,不容有误,但特定情况下总会有例外的发生,例如XX的男性(通常是由于SRY基因易位至X染色体)或外来女性的XY性腺发育不全(由于SRY基因的突变)。此外,还可以看到其他罕见的遗传变异,例如特纳(XO)和克林菲特斯(XXY),这些变异都会为患者带来难以不幸的人生,甚至要延续到后代。
埋没的SRY基因被发现了,原来具有这么大能量
在人类中,决定男性发育因子的主要基因位于Y染色体的短臂上。出生时带有Y染色体的短臂而不是长臂的人是男性,而出生时带有Y染色体的长臂而不是短臂的人是女性。通过分析罕见的XX男性和XY女性的DNA,发现决定“命根子”的基因的位置已缩小到位于短臂末端附近,Y染色体的第35,个碱基对的区域。在该区域,Sinclair及其同事(年)发现了一种男性特异性的DNA序列,该序列可以编码个氨基酸的肽段(可以理解成是一种蛋白或者是蛋白的一部分)。这种肽段可能是一个转录因子,因为它包含称为一个DNA结合结构域HMG,相当于一双大手抓住DNA序列。该结构域存在于几种转录因子和非组蛋白染色质蛋白中,并在与其结合的DNA区域中引起弯曲(如图所示)。这个基因被称为SRY基因。
大量的证据表明,这的确是编码人类男性决定因子的基因。在正常的XY雄性和罕见的XX雄性中发现了SRY,而在正常的XX雌性和许多XY雌性中均不存在SRY。另一组研究发现,XY女性在SRY中具有点或移码突变基因,相当于基因被破坏了,难以发挥其真正的通。这些突变阻止了SRY蛋白与DNA结合或弯曲。一些男性特异性基因在其启动子或增强子(基因上的一种特定结构)中包含SRY结合位点,并且SRY与这些位点的结合开始了形成睾丸的发育途径。
DNA与SRY蛋白质的结合会导致DNA弯曲70-80度。黑色结构代表SRY蛋白的HMG框。红色线圈是被SRY特异性结合的DNA的双螺旋。
动物实验确认了SRY基因的功能
如果SRY确实编码了主要的雄性决定因子,则可以预期它会在睾丸分化之前或分化过程中立即作用于生殖系统。对小鼠中发现的同源基因的研究已经满足了这一预测,小鼠基因(Sry)也与雄性发育有关。
如果Sry能够诱导睾丸形成,则将Sry基因的DNA片段插入正常XX小鼠合子的基因组中应会导致XX小鼠形成睾丸。Koopman及其同事(年)取得了包含Sry基因的碱基序列,人工合成后并将该序列显微注射到新受精的小鼠受精卵的前核中。在某些情况下,按此顺序注射的XX胚胎会发育出睾丸,雄性副器官和主器官(如图所示)。另外,小鼠未形成功能性精细胞,但也未预期到功能性精细胞,因为两个X染色体的存在阻止了XXY小鼠和雄性中精细胞的形成,而转基因小鼠缺少Y染色体的其余部分,其中包含了精细胞发生所需的基因。因此,有充分的理由认为Sry/SRY是Y染色体上确定哺乳动物睾丸的主要基因。
Sry转基因的XX小鼠是雄性。(A)聚合酶链反应后电泳显示正常XY雄性和转基因XXSry小鼠中存在Sry基因。该雌性XX同窝仔鼠中不存在该基因。(B)转基因小鼠的外生殖器是雄性(右),与XY雄性(左)基本相同。
SRY还有什么作用?乾坤大挪:诱导中肾细胞向性腺的迁移
Sry/SRY对哺乳动物睾丸的发育是必要的,但还不够。对小鼠的研究进一步研究显示,将某些小鼠品系的Sry基因置于不同小鼠品系中无法产生睾丸。当Sry蛋白与其DNA上的位点结合时,可能会产生较大的构象变化(构象与最终的基因功能有很大的关联)。它解开附近的双螺旋结构,使DNA弯曲多达80度。这种弯曲可能使转录装置的远距离结合的蛋白紧密接触,从而使它们相互作用并影响转录。这些蛋白质的的组成尚不清楚。
在将双能性腺转化为睾丸过程中,SRY可能具有多种作用方式。在过去的几十年中,人们一直认为SRY可以直接在生殖系统中起作用,能够将上皮细胞转化为雄性特异性支持细胞。,但是,也有研究表明SRY可以通过间接机制起作用:生殖细胞中的SRY诱导细胞分泌趋化因子,从而允许中肾细胞迁移至XY性腺。这些中肾细胞诱导性腺上皮变成具有雄性特异性基因表达模式的支持细胞。研究人员还发现,当他们用XX或XY中子肾培养XX个性腺时,中性细胞不会进入性腺。但是,当他们用XY性腺或含有Sry转基因的XX小鼠的性腺培养XX或XY中性肾母细胞时,中性肾细胞确实进入了性腺(如图所示)。性腺细胞中Sry的存在,中肾细胞迁移与睾丸索的形成之间存在严格的相关性。也就是说,中肾细胞对于睾丸索的形成至关重要,并且迁移的中肾细胞可以诱导XX个性腺细胞形成睾丸索。如此看来,Sry可能通过诱导中肾细胞向性腺的迁移而间接发挥作用来创造睾丸。
中肾细胞迁移到Sry+性腺残基中。在图示的实验中,从12天的胚胎小鼠中收集了泌尿生殖脊(包含中肾和生殖腺)。一只小鼠被标记为在每个细胞中都有活性的β-半乳糖苷酶转基因(lacZ)。因此,当老鼠的β-半乳糖苷酶染色时,它的每个细胞都会变成蓝色。使用来自未标记小鼠的性腺组织和来自标记小鼠的中肾将性腺和中肾分离并重组。
总结
在人类胚胎中,SRY基因编码独特的转录因子大约在发育的第七周激活了睾丸形成途径。在此之前,胚胎性腺是“无差异的”,这意味着它能够发育成睾丸或卵巢。同样,早期胚胎有两个导管系统,沃尔夫芬导管和缪勒导管,分别能够发育成雄性和雌性生殖道。一旦SRY基因产物刺激冷漠的性腺发育成睾丸,睾丸就会开始产生两种激素,睾丸激素和抗缪勒氏激素,或AMH。睾丸激素及其衍生物之一,二氢睾丸激素,会诱导男性生殖系统中其他器官的形成,而AMH则引起缪勒管的退化。在女性中,不含SRY蛋白卵巢形成途径被一组不同的蛋白质激活。然后,完全发育的卵巢产生雌激素,从而触发缪勒氏管从而引起子宫,输卵管和子宫颈的发育。