王家晉，廖菘凱，黃家豪，陳 輝

(華南農(nóng)業(yè)大學 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642)

生物兩性的產(chǎn)生是發(fā)育和進化生物學研究的重大課題，不僅涉及到物種的生存和發(fā)育，而且關(guān)系著物種的種群繁衍和進化，在物種產(chǎn)生和進化中性別決定發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。性別決定是胚胎分化成雄性或雌性發(fā)育過程[2]，其中包括初級信號、關(guān)鍵基因等一系列內(nèi)外因素的調(diào)控[3]。昆蟲作為種類最為豐富、性別分化最為特殊的一類生物，性別決定基因的級聯(lián)效應(yīng)、性別決定級聯(lián)通路基因特異性表達和剪接、性別決定通路未知因子、環(huán)境等因素都直接或間接決定和影響昆蟲性別的分化，從而形成不同性別決定通路模式。Sánchez[4]依據(jù)昆蟲性別決定通路初始信號的來源，將昆蟲性別決定機制分為合子型(zygotic)，由遺傳差異決定性別；母體型(maternal),由昆蟲母體決定性別；環(huán)境決定型(environmental)，由環(huán)境條件決定性別。上游初始信號誘導和調(diào)控下游性別決定基因的表達，構(gòu)成昆蟲性別決定通路的基本框架(圖1)。同時，昆蟲性別決定又受劑量補償(dosage compensation)、補償性性別決定(complementary sex determiner)和M因子(M factor)的調(diào)控。

注:A.鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)性別決定通路[11-13]；B.雙翅目昆蟲黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)性別決定通路[3]；C.鱗翅目昆蟲家蠶(Bombyx mori)性別決定通路[14]；D.膜翅目昆蟲西方蜜蜂(Apis mellifera)性別決定通路[15]。

鞘翅目昆蟲是昆蟲綱中最具多樣性的一個類群[5-10]，近年來鞘翅目昆蟲性別決定機制的研究集中于赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)等昆蟲，研究內(nèi)容也局限于性別決定基因的類型，性別決定基因tra，tra-2→dsx作用模式，以及性別決定基因在性別分化中的作用等方面。本文綜述了國內(nèi)外鞘翅目昆蟲性別決定基因的研究進展、性別決定基因的功能及其相互作用，以及決定基因在昆蟲發(fā)育中的作用和機制。

1 性別決定初始信號和性別決定基因

昆蟲性別決定級聯(lián)通過基因特異性表達和選擇性剪接調(diào)節(jié)性發(fā)育和性行為，并伴隨著一系列性別特異性現(xiàn)象[16-17]。赤擬谷盜(T.castaneum)tra/fem前體mRNA在雌蟲翻譯得到tra蛋白，促使受精卵的tra前體mRNA發(fā)生雌性特異性剪接，得到雌性特異蛋白dsxF；而雄蟲可能存在一種未知的M因子，抑制tramRNA的翻譯，減少tra的轉(zhuǎn)錄或抑制tra表達，導致tra初期蛋白缺失，使tra編碼無功能的蛋白質(zhì)，促使dsx發(fā)生雄性特異性剪接，得到雄性dsxM蛋白。盡管不同昆蟲性別決定級聯(lián)的起始信號相差甚遠，但級聯(lián)核心基因卻相對保守[18-19]，性別決定核心調(diào)控基因dsx幾乎在所有昆蟲中被發(fā)現(xiàn)。目前，已有大量研究揭示了性別決定基因在鞘翅目昆蟲性別分化中的作用[20-24]，并對性別決定級聯(lián)基因鑒定和功能進行了驗證(表1)。

表1 鞘翅目昆蟲已鑒定性別決定基因

2 性別決定基因的級聯(lián)效應(yīng)

dsx基因位于性別決定級聯(lián)底部，行使決定體細胞性別的功能，具有保守性。由于初始信號在不同物種間具有差異性，性別決定級聯(lián)上游基因顯示出不同的作用方式。Shukla等[11-13]在赤擬谷盜(T.castaneum)中獲得與黑腹果蠅(D.melanogaster)dsx，tra和tra-2同源的基因。dsx屬于DM結(jié)構(gòu)域基因家族，在許多動物性別決定或性別分化中發(fā)揮作用[32-34]。dsx蛋白包含2個功能域：DNA結(jié)合域(DM或OD1)和二聚結(jié)構(gòu)域(OD2)。DM結(jié)構(gòu)域?qū)儆阡\指結(jié)構(gòu)，存在于由Dmrt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子組成的DM超家族組多個基因中，具有鋅螯合和啟動子結(jié)合的保守氨基酸殘基[35-37]。dsx上游基因transformer(tra)屬于一類SR型蛋白，序列含有較多的精氨酸(R)和絲氨酸(S)殘基，是一種進化非常迅速的基因。tra存在自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域CAM，這個結(jié)構(gòu)域存在于除黑腹果蠅外所有tra基因。鞘翅目昆蟲中CAM結(jié)構(gòu)域位于基因的N端，且與部分雙翅目和膜翅目昆蟲同源[38]。tra-2是一種含有RNA-binding motif(RRM)結(jié)構(gòu)域和富含SR(絲氨酸/精氨酸)區(qū)域的蛋白質(zhì)(圖2)，并與dsx前體mRNA第4外顯子(雌性特異性外顯子)的剪接增強子(ESE)結(jié)合而發(fā)揮作用，不同昆蟲的tra-2基因在RRM結(jié)構(gòu)域中具有保守性[39]。dsx、tra和tra-2在不同物種間的結(jié)構(gòu)相似性反映了昆蟲性別決定基因的基本特征。

注:A.dsx基因結(jié)構(gòu)域分布：鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)、Gnatocerus cornutus、Photinus pyralis、山松大小蠹(Dendroctonus ponderosae)dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域分別為OD1和OD2結(jié)構(gòu)域；B.tra基因結(jié)構(gòu)域分布，鞘翅目昆蟲獨角仙(Trypoxylus dichotomus)、Photinus pyralis、Cyclommatus metallifer、蜂箱小甲蟲(Aethina tumida)dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域為CAM結(jié)構(gòu)域；C.tra-2基因結(jié)構(gòu)域分布：鞘翅目昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)、米象(Sitophilus oryzae)、Photinus pyralis、Diabrotica virgifera dsx基因蛋白質(zhì)序列的多重比對顯示，黑色框內(nèi)保守區(qū)域分別為RS1、RRM和OD2結(jié)構(gòu)域。

3 性別決定基因的特異性表達和剪接

tra基因通過調(diào)控dsx的前體mRNA，對雌性的性別決定和雌性選擇性剪接的維持起著至關(guān)重要的作用。雌性tra調(diào)節(jié)自身前體mRNA的選擇性剪接，以確保雌性tra蛋白的持續(xù)生產(chǎn)；而雄性中可能存在一種未知的M因子，抑制tra前體mRNA的翻譯和選擇性剪接，產(chǎn)生截短且無功能的tra蛋白，因此導致dsx前體mRNA發(fā)生雄性選擇性剪接，產(chǎn)生雄性特異性dsxM蛋白。然而，在很多昆蟲中M因子的位置并不固定，且序列沒有保守性，作用方式也不盡相同[40]。tra-2在雌性和雄性中均表達，具有非性別特異性，且表達量在所有蟲態(tài)沒有明顯差異。tra-2對tra和dsx均有調(diào)控作用，tra-2促進tra前體mRNA進行雌性選擇性剪接，抑制雄性dsx前體mRNA的雌性選擇性剪接；tra-2和tra對tra前體mRNA選擇性剪接的共同調(diào)控，確保了性別決定的嚴格調(diào)控。tra-2蛋白富含絲氨酸和精氨酸的蛋白既是剪接激活因子，也是剪接抑制因子[41-42]。由此Shukla和Palli提出赤擬谷盜性別決定級聯(lián)架構(gòu)，即tra-2作用于tra和dsx的前體mRNA，并調(diào)控選擇性剪接，dsx作用于下游的靶點決定體細胞性別的分化和功能發(fā)揮。

4 影響鞘翅目昆蟲性別決定的因素

昆蟲性別決定基因的表達也受激素的影響和相互作用，dsx與保幼激素(juvenile hormone)存在聯(lián)合互作。Gotoh Hiroki等[43]對鞘翅目昆蟲Cyclommatusmetalliferdsx基因與保幼激素(JH)的相互作用進行了研究，首次證明了性別決定基因和保幼激素(JH)信號通路之間的因果聯(lián)系。雌性特有的dsxF使雌性下頜骨對保幼激素(JH)敏感性下降，而雄性特有的dsxM則使雄性對保幼激素(JH)敏感性增大。因此，C.metallifer出現(xiàn)下頜骨形態(tài)的典型性二型現(xiàn)象，即雄性下頜骨長，雌性下頜骨短。對dsx基因進行沉默后，保幼激素(JH)處理可以刺激雌性的下頜骨生長，而雄性下頜骨對保幼激素(JH)雖仍有一定的敏感性，但雄性個體的下頜骨明顯變小，即性別特異性的dsx蛋白降低了雌性對保幼激素的敏感性，增加了雄性對JH的敏感性。

同時，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和內(nèi)共生細菌也可影響昆蟲的性別決定[44-45]。沃爾巴克氏體(Wolbachia)是一類母性遺傳的革蘭氏陰性細胞內(nèi)共生菌，廣泛存在于昆蟲、蜘蛛和螨等節(jié)肢動物體內(nèi)，是昆蟲體內(nèi)分布最廣的細胞內(nèi)共生菌[46]。王阿旻等[47]在喂食雜擬谷盜(T.confusum)的面粉中加入四環(huán)素，利用抗生素去除體內(nèi)沃爾巴克氏體，經(jīng)處理后雌性與雄性交配后的產(chǎn)卵率為0%。這說明沃爾巴克氏體的去除誘導雜擬谷盜繁殖不親和性，也誘導胞質(zhì)不親和、孤雌生殖、雄性的雌性化、雄性胚胎致死和增強雌性繁殖力等[48-49]。

此外，營養(yǎng)、光照、種群密度等外在因素與染色體組成、性別決定級聯(lián)均與鞘翅目昆蟲性別決定關(guān)系密切，通過一系列相互作用共同調(diào)控鞘翅目昆蟲性別決定，形成鞘翅目昆蟲性別分化多樣性[50-52]。

5 性別決定級聯(lián)在鞘翅目昆蟲性別分化中的作用

性別決定級聯(lián)不但控制昆蟲的性別分化，而且作用下游或其他基因，調(diào)節(jié)昆蟲生長發(fā)育。dsx、tra和tra-2基因與發(fā)育、繁殖和生存密不可分，dsx基因的沉默影響赤擬谷盜卵黃蛋白原(Vg)的產(chǎn)生[53]，在促進卵母細胞生長分化、轉(zhuǎn)運金屬離子、脂質(zhì)、甲狀腺素、維生素A、類胡蘿卜素和核黃素等方面發(fā)揮著重要作用[54-55]。Vg在脂肪體合成1個或多個前體[56]，通過受體介導的內(nèi)吞作用可被卵黃蛋白原受體(VgRs)攝取[57-58]。dsx與Vg的相互作用與其他昆蟲具有相似性，雌性dsx蛋白(dsxF)促進Vg表達，雄性dsx蛋白(dsxM)降低Vg表達[59]。tra基因在赤擬谷盜幼蟲末期的表達是蛹和成蟲性器官結(jié)構(gòu)發(fā)育的先決條件，當幼蟲tra被沉默，性器官呈現(xiàn)明顯缺陷，或出現(xiàn)兩性中間表型，如雌性成蟲出現(xiàn)雄性特有的剛毛。tra-2基因沉默后赤擬谷盜成蟲經(jīng)自由交配與產(chǎn)卵，出現(xiàn)少數(shù)蟲卵無法孵化或發(fā)育過程中胚胎死亡現(xiàn)象。tra在鞘翅目昆蟲發(fā)育中的作用主要是調(diào)控性別的選擇性剪接和性器官的發(fā)育，tra-2則與tra共同調(diào)控性別的選擇性剪接和胚胎的發(fā)育，從而影響下游dsx基因的選擇性剪接，控制卵黃發(fā)育和精子發(fā)生。

性二型是昆蟲的顯著特征，也是昆蟲形態(tài)多樣性的體現(xiàn)[60]，鞘翅目昆蟲配偶選擇、交配競爭、種群擴散和捕食等特性驅(qū)動性二型的自然選擇，寬大的口器有利于雄性在配偶競爭中取得優(yōu)勢，細長的四肢讓昆蟲捕獲獵物時成功率更高。昆蟲兩性形態(tài)分化是基因表達差異的體現(xiàn)，性二型受性別決定級聯(lián)基因的調(diào)控，其中dsx是性二型的關(guān)鍵基因，在鞘翅目昆蟲Onthophagustaurus、Onthophagussagitarius、獨角仙(Trypoxylusdichotomus)和C.metallifer中得到充分驗證[61-63]。dsx對鞘翅目昆蟲Gnatoceruscornutus下頜骨的性二型具有重要作用，雌性幼蟲dsx沉默后比野生型具有更寬大的下頜骨，而雄性幼蟲dsx沉默后下頜骨顯著變小[64]。dsx對其他鞘翅目昆蟲性二型的影響具有相似性，證實性別決定級聯(lián)在很大程度上影響鞘翅目昆蟲兩性的形態(tài)分化。

6 問題和展望

鞘翅目昆蟲性別決定的tra，tra-2→dsx模式，tra的自我調(diào)節(jié)和tra-2的協(xié)調(diào)作用，共同作用于下游dsx基因的選擇性剪接和性別分化，從而形成鞘翅目昆蟲特異的性別決定通路和性別決定機制。dsx作為性別決定級聯(lián)末端基因在所有昆蟲中高度保守，且tra，tra-2→dsx的調(diào)控模式在很多昆蟲中存在共性，成為昆蟲性別分化普遍遵循的表達模式。雖然鞘翅目昆蟲的性別決定機制研究在近年來取得了一些進展，但研究尚處于起步階段，也存在一些問題。

鞘翅目昆蟲性別決定機制中起始信號，作用機制等仍沒有較為深入的進展。Shukla與Palli認為模式昆蟲赤擬谷盜(T.castaneum)性別決定為XX/XY系統(tǒng)，與果蠅具有相似性，然而沒有直接證據(jù)證明赤擬谷盜(T.castaneum)的初始信號為X：A(即劑量補償效應(yīng))。鞘翅目害蟲在我國廣泛分布且危害巨大，加強對鞘翅目初始信號、基因互作機制深入的研究，對揭示鞘翅目昆蟲性別決定級聯(lián)的功能和機理具有重要意義。

性別決定基因除tra、tra-2、dsx外，其他與性別相關(guān)的基因(如fru、sxl、ix、Hox等)在鞘翅目昆蟲中尚未深入探究。目前赤擬谷盜(T.castaneum)、G.cornutus和C.metallifer性別決定基因的研究，均圍繞dsx、tra等進行，然而其他相關(guān)性別決定基因的研究有助于完善鞘翅目昆蟲性別決定通路，為其他非模式昆蟲的性別決定研究提供理論基礎(chǔ)。

赤擬谷盜M因子的發(fā)現(xiàn)對鞘翅目雄性性別決定的研究具有很大幫助，許多昆蟲Y染色體上的M因子已被鑒定，但由于M因子的不保守性，國內(nèi)外仍沒有關(guān)于鞘翅目M因子詳盡的研究結(jié)果。M因子是一種分子標記，可用于性別鑒定，若能在鞘翅目昆蟲中明確M因子，則能在難以從肉眼辨別性別的物種中找到一個穩(wěn)定而準確的性別鑒定方法，從而為鞘翅目害蟲的生物防治提供便利。

隨著鞘翅目更多昆蟲全基因組測序工作的完成，性別決定相關(guān)基因得到有效注釋，特定性別決定基因的克隆，性別特異性剪接體的發(fā)現(xiàn)，影響性別分化剪接體的功能驗證，都為進一步闡述鞘翅目昆蟲性別決定的分子機制和進化帶來極大的幫助，也將是未來鞘翅目昆蟲研究的熱點。