Epigenetics of sex determination and gonadogenesis--本科論文翻譯

1、本科畢業(yè)論文（或設(shè)計）外文翻譯性別決定和性腺分化的表觀遺傳學(xué)原文來源：Francesc Piferrer. Epigenetics of sex determination and gonadogenesisJ. Dev. Dyn.,2013,2424:.360-370譯文正文：摘要表觀遺傳學(xué)通常被定義為對于不能用DNA序列改變解釋的基因功能遺傳性變化的研究?；虮磉_(dá)調(diào)控的三大表觀遺傳機(jī)制包括DNA甲基化，組蛋白修飾以及非編碼RNA。表觀遺傳機(jī)制賦予了生物體結(jié)合基因組及環(huán)境中的信息修飾基因活性來產(chǎn)生特殊表型的能力。在發(fā)育過程中，細(xì)胞通過基因表達(dá)的改變進(jìn)行分化，增殖并維持個體生長。作為保證物種的

2、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和延續(xù)的最重要發(fā)育過程之一，這對于性別決定和分化是關(guān)鍵性的。本文對于表觀遺傳調(diào)控機(jī)制在植物、無脊椎動物及脊椎動物中如何促進(jìn)它們的性別決定和生殖器官的形成所作的研究進(jìn)行了總結(jié)。進(jìn)一步進(jìn)展將通過整合多種方法進(jìn)行，包括基因組學(xué)和新一代測序方法。目的在于產(chǎn)生涉及不同層面的性別決定及性腺分化的表觀遺傳圖。表觀遺傳學(xué)也將有助于我們理解一些障礙性發(fā)育的病因。它也可能在動物養(yǎng)殖場生產(chǎn)的生育控制中發(fā)揮重要作用，并將有助于我們認(rèn)識環(huán)境與遺傳對于處在全球變化的情況下敏感的物種性別決定的影響。關(guān)鍵詞：DNA甲基化；組蛋白修飾；非編碼RNA；多梳/三胸；性發(fā)育障礙；性分化；生育控制；全球變化正文表觀遺傳學(xué)是生物

3、學(xué)中一個非常令人興奮的領(lǐng)域，當(dāng)下正經(jīng)歷著驚人的發(fā)展。表觀遺傳學(xué)的范圍（Eccleston等，2007年） 是辯論的主題，并因此提出了幾個定義（Bird，2007年）。這里，我將使用Russo等人提出的定義：表觀遺傳學(xué)是“有關(guān)引起可遺傳的基因功能改變的有絲分裂和/或減數(shù)分裂的研究，這些變化無法以DNA序列改變來解釋。”在定義中的專業(yè)術(shù)語"遺傳"一詞已經(jīng)產(chǎn)生了某些混淆，因為實際上它傳遞了兩個不同的含義： 這些變化不僅是在細(xì)胞有絲分裂過程中從一個細(xì)胞遺傳給它的子細(xì)胞，還在配子形成過程中通過細(xì)胞的減數(shù)分裂遺傳，繼而能夠?qū)⑦@些變化從父母傳遞到后代(Gilbert 和 Epel, 20

4、09年)。被認(rèn)可的表觀遺傳調(diào)控的事件或現(xiàn)象的例子包括在酵母的交配型基因沉默、 植物中的溫度依賴性春化作用、花斑位置效應(yīng)、基因印記以及在哺乳動物中的 x 染色體失活現(xiàn)象(Wakimoto, 1998; Brock 和 Fisher, 2005)。圖1. 通過表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，基因與環(huán)境信息相結(jié)合產(chǎn)生既定表型。三個水平如下依次描述：（1）Epigenators信號例如溫度；（2）表觀遺傳起始信號例如DNA結(jié)合蛋白(DNA-BP)或是非編碼RNA(ncRNA)例如貼附與DNA上的XIST（雙杠藍(lán)線）；以及（3）表觀遺傳保持信號例如DNA修飾酶（如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，DNMT）、組蛋白尾巴（紫色小球）修

5、飾/去修飾酶（如組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶，HAT;組蛋白去乙酰化酶,HDAC;組蛋白變體，與紅色圓圈相對的綠色圓圈）。該表觀遺傳信號通路基于Berger等人（2009年）的研究以及Turner（2007年）的可能結(jié)果。典型的基因表達(dá)調(diào)控表觀遺傳學(xué)機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白及其變體的修飾以及非編碼RNA的存在(Brock和Fisher, 2005年)。在本文中，我將以這樣的順序來敘述。不過，有兩點需要注意，一點是這些機(jī)制是同時發(fā)生的，另一點是這種順序并不一定反映在細(xì)胞水平實際所發(fā)生的。因此，Berger等人（2009年）為推動表觀遺傳學(xué)的操作性描述，提出在穩(wěn)定遺傳的表觀遺傳學(xué)狀態(tài)下次序運(yùn)轉(zhuǎn)的三類信號

6、。第一類是從細(xì)胞環(huán)境中接收的信號，例如分化信號或溫度變化，稱為 Epigenator。染色體上游事件的起始是Epigenator 信號的一部分；不僅環(huán)境能激發(fā)信號本身，并且隨后的信號通路也會激發(fā)出信號（圖1）。Epigenator 信號可能是瞬時的并足以觸發(fā)表觀遺傳表型的產(chǎn)生而其維持不是必需的。第二類信號是表觀遺傳起始信號，在細(xì)胞內(nèi)作為基于局部染色質(zhì)中的的響應(yīng)信號，對于 Epigenator 信號作出響應(yīng)。由于表觀遺傳啟動信號必須能夠精確識別染色質(zhì)結(jié)構(gòu)（Berger等，2009年） 的坐標(biāo)，所以它們需要某一類序列進(jìn)行識別。例子包括 DNA 結(jié)合蛋白以及像XIST這類的非編碼RNA，足以使哺乳動

7、物的 X 染色體發(fā)生沉默。由于這類信號一般涉及正反饋回路，表觀遺傳啟動信號在其作用后不消散。第三類信號是表觀遺傳保持信號，作為一個持續(xù)的信號，并不足以啟動但能夠通過后代傳遞表觀遺傳狀態(tài)從而保持染色質(zhì)的變更。后一類的例子包括 DNA 甲基化、 組蛋白修飾和組蛋白變體 （Berger等人，2009年）。然而，表觀遺傳修飾的一個重要特點是可逆性。因此，表觀遺傳修飾表現(xiàn)了保持和可逆 （James 和Renard，2010年） 之間的平衡。細(xì)胞在發(fā)育過程中分化通過彼此之間或與環(huán)境的相互作用進(jìn)行增殖?；虮磉_(dá)模式的改變是細(xì)胞分化的一個基本特征，而這些模式的保持是維持細(xì)胞個體存在的一個關(guān)鍵部分 (Brock

8、 和 Fisher, 2005年; Kiefer, 2007年)。因此，表觀遺傳機(jī)制賦予了生物體結(jié)合基因組及環(huán)境中的信息修飾基因活性來產(chǎn)生特殊表型的能力，以應(yīng)對內(nèi)外環(huán)境的變化（Turner，2009年）。適當(dāng)?shù)姆敝衬芰σ约拔锓N的永久延續(xù)的最重要發(fā)展進(jìn)程之一是性別決定和性腺分化。性別決定是個體的性別 （性別，雄性或雌性） 建立在一個簡單的二元命運(yùn)決定的受遺傳或環(huán)境影響的過程。有兩種主要類型的性別決定機(jī)制： 一種是基因型性別決定 （GSD），即性別在懷孕時已經(jīng)決定，并且性別間具備遺傳差異 ；另一種是環(huán)境性別決定 (ESD)，兩性間沒有一致的遺傳差異，并且性別決定發(fā)生在受精后，響應(yīng)于環(huán)境信號。另一方

9、面，性別分化是未分化的性腺轉(zhuǎn)化為卵巢或睪丸的主要過程，但還包括其他方面的分化，其中包括相關(guān)聯(lián)的生殖管以及外生殖器的發(fā)育和性別特異性的大腦差異的產(chǎn)生(Valenzuela 和 Lance, 2004年; Penman 和 Piferrer, 2008年)。由于胚胎性腺是唯一可以發(fā)育成兩個能相互促進(jìn)的獨特表型的器官，因而是獨特的。性腺體細(xì)胞最初具備雙向分化潛能，易遭受拮抗信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò) (Kim 和Capel ，2006年） 的共同作用。性別命運(yùn)是通過激活睪丸及卵巢通路并以兩性異形的方式抑制其替代途徑許多基因的表達(dá)來決定的 (Munger 和 Capel,2012年)。在基因必須以緊密的時

10、空方式激活或抑制的發(fā)育背景下，（Barrionuevo 等，2012年），基因表達(dá)調(diào)控的表觀遺傳學(xué)機(jī)制作用變得極為重要。更重要的是，在性腺分化的關(guān)鍵時期表觀遺傳標(biāo)記為基因表達(dá)過程在遺傳與環(huán)境的控制上增添了復(fù)雜性。關(guān)于這一點，我查閱了最近與性別決定和性別分化相關(guān)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)主要指的是脊椎動物，偶爾也提到無脊椎動物或植物。本篇文章并不打算寫得很全面，相反的是，本文目的在于為將來的研究著重提供一般特征并產(chǎn)生關(guān)注。另一方面，相比較于體細(xì)胞，在生殖細(xì)胞中的染色質(zhì)轉(zhuǎn)型現(xiàn)象仍然知之甚少。在生殖細(xì)胞增殖并進(jìn)入減數(shù)分裂的期間發(fā)生的表觀遺傳轉(zhuǎn)型已經(jīng)是眾所周知(Ewen 和 Koopman, 2010

11、年; Kota 和 Feil, 2010年)。此外，發(fā)生在性腺生殖細(xì)胞性別分化后的基因調(diào)控的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，例如精子發(fā)生（Khalil和 Wahlestedt，2008 年 ；McIver 等，2012年) 和卵子發(fā)生 （Bromfield等，2008年）以及成熟配子和早期胚胎發(fā)育中的表觀遺傳標(biāo)記也為人所熟知(Hales 等，2011年)。至于非性腺分化，越來越多的證據(jù)表明表觀遺傳機(jī)制在大腦的性別分化過程中某些方面上能有助于性腺激素產(chǎn)生和維持對于神經(jīng)元基底的誘導(dǎo)激活和組織反應(yīng)。神經(jīng)內(nèi)分泌和行為表現(xiàn)型的表觀遺傳編碼頻繁地出現(xiàn)伴性現(xiàn)象（Levenson和Sweatt，2005年），暗示在腦表觀遺傳

12、學(xué)中性別差異可能作為一個決定因素 （Menger等，2010年）。DNA甲基化和性別決定在細(xì)胞核內(nèi)的DNA分子的甲基化是最有特點的表觀遺傳修飾之一。甲基基團(tuán)取代的是鄰近鳥苷（CpG）的脫氧胞苷上的5C。反應(yīng)是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶 （DNMTs）酶系催化的。有以下兩個重要的 DNMTs： DNMT1甲基化半甲基化位點上的未甲基化的堿基，并且由于在細(xì)胞分裂過程中DNMT1負(fù)責(zé)拷貝現(xiàn)有甲基化模板，因此就被稱為維持DNMT1 （因此使表觀遺傳標(biāo)記具備可遺傳性）。另一種是 DNMT3，它在先前未甲基化的 CpG上放置甲基化標(biāo)記，因此負(fù)責(zé)DNA從新甲基化 （Hermann等人，2004 年）。在整個基因組中

13、CpG通常被甲基化。CpG 島是基因組富含CpG的區(qū)域，通常與啟動子或調(diào)控區(qū)域相關(guān)聯(lián)。在這些 CpG 島中的甲基化水平的變化是與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)聯(lián)。此外，DNA甲基化狀態(tài)發(fā)生變化（例如在兩個發(fā)育階段之間發(fā)生變化）的基因組區(qū)域，被稱為差異甲基化區(qū)域 (DMR)。在發(fā)育過程中存在DNA 甲基化的兩個例子是 x 染色體失活和基因組印記。在后一個例子中，盡管DNA來自同一對染色體中，具備相同的序列，但在雌雄種系調(diào)控區(qū)域的DNA甲基化模式的差異導(dǎo)致基因組中的一連串基因隨父本或母本特異性表達(dá)(Strogantsev 等， 2012年)。在植物中，表觀遺傳學(xué)機(jī)制所涉及的性別決定到目前為止在少數(shù)情況下有所描述

14、，包括玉米，栽培玉米亞種，這也是表觀遺傳學(xué)研究受壓制的一個因素（Parkinson等，2007年）。不過，這些機(jī)制在植物性別決定中到底有多普遍目前仍未可知。其中一個案例是關(guān)于葫蘆科代表性植物甜瓜（Cucumis melo）。瓜類中，在雌全同株個體（例如在主莖上開雄花并且雌花或兩性花開在腋生枝上）中編碼CmACS-7 乙烯生物合成酶的基因和轉(zhuǎn)錄因子 CmWIP1 編碼基因相互作用來調(diào)控雄花、雌花以及兩性花的發(fā)育。在全雌植物種系（只開雌花） 中，雄花轉(zhuǎn)變?yōu)榇苹ㄊ怯捎谵D(zhuǎn)座子Gyno-hAT的插入引起CmWIP1 啟動子產(chǎn)生表觀遺傳改變。這個轉(zhuǎn)座子在 CmWIP1 啟動子進(jìn)行DNA甲基化的起始和維持的

15、過程中是必需的（Martin等，2009年）。Gorelick（2003 年）假設(shè)雌雄異株和性染色體起源于二倍體雌雄同株祖先中的一對常染色體其中的一條，這條染色體相比較于其同源染色體帶有更多甲基，接近于一個性別控制區(qū)域。甲基化會抑制轉(zhuǎn)錄，包括影響配子的產(chǎn)生因而使雌雄同株轉(zhuǎn)變?yōu)樾刍ɑ虼苹?。差異甲基化也會抑制重組，提升穆勒齒輪的速度。同樣的假設(shè)也由 Jablonka （2004 年）提出了。這種觀點的假預(yù)測之一是ESD型物種要求性染色體同態(tài)，并且環(huán)境的微小變化就能改變性別相關(guān)基因位點甲基化模式，因而決定了個體性別(Gorelick, 2003年)。不可否認(rèn)，環(huán)境因素可以改變基因表達(dá)，從而產(chǎn)生表型。

16、ESD，ESD是一個很好的例子，通過早期發(fā)育關(guān)鍵時期某個環(huán)境因素的改變能夠影響后代的性別。溫度依賴性性別決定 （TSD） 是ESD的一種，并且在魚類和爬行類動物中性別比例隨溫度變化的現(xiàn)象是很常見的。在非哺乳類脊椎動物中芳香化酶 （cyp19a1） 是雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素的關(guān)鍵類固醇生成酶，因而是卵巢分化的必要條件。在魚類和爬行動物中，溫度誘導(dǎo)的雄性化是總是與 cyp19a1 基因的表達(dá)抑制相聯(lián)系（Ospina-Alvarez和 Piferrer，2008 年 ；Ramsey和Crews，2009年）。不過，與早期發(fā)育期間的溫度以及性別比例有關(guān)的機(jī)制已經(jīng)是許多辯論的主題(Lance, 2009年)

17、。在歐洲海鱸這種多基因決定性別的魚類中，遺傳和溫度共同決定性別(Piferrer 等，2005； Vandeputte 等， 2007), 并且幼魚階段經(jīng)歷熱敏感時期 （TSP） 。而Navarro-Martn等人（2011 年）提出在其性腺形成前 ，雄性幼魚cyp19a1 啟動子的DNA 甲基化水平是雌性幼魚的兩倍。雌魚在熱敏感期受到高溫影響，致使該啟動子的甲基化水平升高。并且，我們發(fā)現(xiàn)甲基化水平與cyp19a1表達(dá)量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，這暗示雄性化的誘導(dǎo)涉及 DNA 甲基化介導(dǎo) 的cyp19a1 基因表達(dá)的調(diào)控。包含不同CpG島的cyp19a1 啟動子表現(xiàn)出對溫度的不同敏感性。然而，在性腺

18、中檢測到cyp19a1 啟動子甲基化水平的升高，而在大腦中卻未檢測到，暗示這種現(xiàn)象不是溫度的普遍效應(yīng)。此外，溫度效應(yīng)也可在性別未分化的魚中觀察到，并且用雌激素進(jìn)行處理也不受影響。因此，cyp19a1 基因啟動子甲基化導(dǎo)致在溫度性雄化魚中cyp19a1 表達(dá)量的降低。體外功能性研究表明誘導(dǎo)的甲基化 cyp19a1 啟動子抑制 Sf-1 和 Foxl2 刺激轉(zhuǎn)錄的能力。這些發(fā)現(xiàn)構(gòu)成第一個表觀遺傳機(jī)制介導(dǎo)作用于脊椎動物性別比例的溫度效應(yīng)的例子。在同樣的研究中，我們觀察到毗鄰 Sox 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點并受溫度誘導(dǎo)差異甲基化的CpG 位點在一些物種是保守的。這項研究似乎暗示芳香化酶基因啟動子的 DNA

19、甲基化可能是長期所探尋機(jī)制的重要組成部分，構(gòu)成聯(lián)系環(huán)境溫度和溫度依賴性性別決定的脊椎動物物種的性別比例之間的紐帶(NavarroMart等，2011年）。一件很有趣的事是TSD型爬行動物中是否存在一個類似的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制（熱敏感期與性別決定在同一時期發(fā)生），例如在海鱸中觀察到的溫度輻射與性別分化之間的時間差就不適用于該機(jī)制。此外，TSD機(jī)制已經(jīng)多次經(jīng)歷過隔離進(jìn)化。因此，雖然許多機(jī)制可能參與芳香化酶調(diào)節(jié)，但還可能有其他除了DNA 甲基化的能介導(dǎo)溫度效應(yīng)的機(jī)制。許多連續(xù)的雌雄同株整合內(nèi)部和外部的信號來調(diào)控逆轉(zhuǎn)過程。鯛科魚類家族中的雌雄雄性性征先成熟的現(xiàn)象已經(jīng)是有關(guān)于雌雄轉(zhuǎn)變的基因與分子內(nèi)分泌學(xué)許多工作的

20、主題（Wu等，2010年），黑鯛 （Acanthopagrus schlegeli)是該家族中的一員。在前兩個生殖周期，性腺的卵巢部分仍然是處于失活狀態(tài)，并且卵母細(xì)胞停留在初級卵母細(xì)胞階段。此外，處于失活狀態(tài)的卵巢組織無法經(jīng)雌二醇-17b （E2） 處理激活而通過外科手術(shù)切除精巢組織卻可以激活，這暗示精巢組織的存在以不為人所知的方式抑制了卵巢組織的發(fā)育。不同卵巢相之間的總體甲基化水平測定結(jié)果顯示不存在差異(卵黃合成前卵母細(xì)胞、卵黃合成期卵母細(xì)胞以及成熟的卵母細(xì)胞)。然而，在失活卵巢中的cyp19a1 啟動子 DNA 甲基化水平高于活躍的卵巢，這暗示 cyp19a1 的表達(dá)除了受傳統(tǒng)的cyp19

21、a1轉(zhuǎn)錄激活因子（例如Sf-1 和 Foxl2；Wu等人，2012年a）的調(diào)控，還受表觀遺傳學(xué)機(jī)制的調(diào)控。相反的是，通過DNA甲基化免疫共沉淀技術(shù)得到的結(jié)果是dmrt1啟動子在精巢發(fā)育的任一階段中的DNA甲基化水平不存在差異性(Guan-Chung Wu 和 Ching-Fong Chang, 私下交流)，而 dmrt1基因?qū)τ诓G丸分化、性別決定以及自然性逆轉(zhuǎn)都起著同樣重要的作用（Wu 等人, 2012年b）。因此，在其他兩性生殖物種中兩性之間有可能存在cyp19a1 啟動子甲基化水平的改變，與溫度敏感的物種以及雌雄同體性逆轉(zhuǎn)過程中的情況一致。由于遺傳和環(huán)境共同作用于性別比例，典型生殖力旺盛的

22、一類動物魚類和爬行動物將作為在性別決定和性腺分化的過程中探求表觀遺傳學(xué)機(jī)制原理的進(jìn)一步研究的重點。前面我們已經(jīng)看到，DNMTs 是 DNA 甲基化的必要條件以并且有幾項研究表明DNMTs 的表達(dá)與在多種動物模型中的不同方面的發(fā)育有聯(lián)系。然而，很少有研究涉及到DNMT 表達(dá)的變化與性別決定或性腺分化特異性相關(guān)。La Salle等人（2004年）在發(fā)育中的小鼠睪丸和卵巢中進(jìn)行的研究表明，不同的 DNMT 家庭成員在生殖細(xì)胞中對于從新甲基化及其維持有著特定的作用。他們比較了雄性和雌性的生精細(xì)胞在性腺分化前中后時期中 DNMT的時空表達(dá)模式，其中包括自胚胎性腺得到的原生殖細(xì)胞的發(fā)生在E10.5 和E1

23、2.5之間的重新甲基化事件（Reik 等, 2001；Sasaki 和 Matsui, 2008年)。我們用Real-time RT-PCR同時得到三種DNMT3的表達(dá)譜，以尋找能夠在兩性生殖細(xì)胞系中建立甲基化模式的候補(bǔ)DNMT3。DNMT1（DNA甲基化維持信號）作為參照?；贒NMT3a 和 DNMT3l相應(yīng)基因表達(dá)譜結(jié)果顯示了這兩者間有相互作用。后者是主要的DNMT3酶，在產(chǎn)后生殖細(xì)胞系中DNA甲基化模式建立的時候達(dá)到高水平。在雌性動物剛出生后，DNMT1和 DNMT3b的表達(dá)水平相繼到頂，這與它們在增殖的精原細(xì)胞中維持甲基化模式的作用一致(La Salle 等, 2004年)。盡管在生

24、殖細(xì)胞中的表觀遺傳改變的特點很有價值，但鑒于體細(xì)胞在性別決定中的關(guān)鍵作用，它們在體細(xì)胞中的作用可能更為重要。調(diào)控性別決定和分化的基因主要在這些細(xì)胞中表達(dá)，并受到復(fù)雜機(jī)制的調(diào)控。在正常的個體發(fā)育過程中，獸哺乳動物性別決定基因Sry通過指導(dǎo)支持細(xì)胞前體發(fā)育成支持細(xì)胞而非粒層細(xì)胞來激活睪丸組織的分化，并且在小鼠交配后的10.5到12.5天(dpc)時的性腺體細(xì)胞中其表達(dá)受限(DiNapoli和Capel, 2008年; Hiramatsu等, 2009年)。在交配后8.5天的胚胎中，在Sry基因還未表達(dá)時候進(jìn)行亞硫酸氫鈉測序，結(jié)果顯示其啟動子區(qū)域過甲基化。然而，在交配后11.5天的胚胎性腺中，這片區(qū)

25、域出現(xiàn)特異性過甲基化。同時，在Sry基因未表達(dá)的組織中這片區(qū)域仍然保持過甲基化。這暗示Sry受涉及DNA甲基化機(jī)制的表觀遺傳調(diào)控(Nishino 等, 2004年)。基因啟動子的過甲基化一般與基因的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，并因此檢測到的Sry的變化是有點符合期望。不過，在其他20余個基因（一般與性別決定和分化有關(guān)）中的啟動子區(qū)域甲基化水平的變化還值得進(jìn)一步研究。組蛋白修飾及性別決定核小體是染色質(zhì)的功能單位并構(gòu)成組蛋白八聚體 （H2A、 H2B、 H3、 H4各兩個) (Luger 和Richmond，1998年)。核小體對轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控從而通過氨基酸殘基翻譯后共價修飾發(fā)揮基因調(diào)控作用 (Jenuwein

26、和 Allis, 2001年)。組蛋白H3賴氨酸4三甲基化(H3K4me3)構(gòu)成重要的 H3 轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)的修飾改變，然而組蛋白H3賴氨酸 9 甲基化（H3K9me） 具有相反的效果。還有證據(jù)表明，H3K9me3 能募集并激活 DNMTs （urner，2009年）。組蛋白乙?；彩亲钪匾慕M蛋白修飾之一，并且借助于組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶 （HATs） 產(chǎn)生。另一方面，組蛋白去乙?；?（HDAC）可逆去掉HATs所添加的表觀遺傳標(biāo)記。許多參與染色質(zhì)重塑的酶對環(huán)境和代謝因子的變化很敏感，并因此可以作為感應(yīng)器對可以改變基因表達(dá)的環(huán)境因子進(jìn)行檢測（Turner，2009年）。Coccoids (蚧蟲）

27、包括粉蚧在內(nèi)是兩性異形的植物寄生蟲，存在著種類繁多的染色體系統(tǒng)。在其許多物種中，雄性胚胎中的父系染色體發(fā)生特定的異染色質(zhì)化，隨后這些染色體在精子發(fā)生過程中從雄性生殖系中被消除掉。這樣，通過精子發(fā)生，雄性單一性的傳遞一套相同的母系染色體。這非同尋常的細(xì)胞學(xué)系統(tǒng)被命名為 lecanoid 系統(tǒng) （Brown 和 Nelson-Rees，1961年）。在這種物種中，后代性別是由受精卵的細(xì)胞質(zhì)中的父系染色體是失活決定的 (Haig，1993年）。在帶有l(wèi)ecanoid 染色體系統(tǒng)的粉蚧如柑橘刺粉蚧中，Buglia 和Ferraro (2004) 對甲基化賴氨酸 9 組蛋白 H3 （H3K9me） 和異

28、染色質(zhì)蛋白 1 （HP1）使用抗體以這些印跡現(xiàn)象所涉及的表觀遺傳修飾。他們發(fā)現(xiàn)來自于既定減數(shù)分裂的配子雖然攜帶相同的基因組，卻在 H3K9me 和 HP1水平上有差別，并且其中一個被兩者的抗體大量標(biāo)記。這暗示了印跡和性別決定之間存在聯(lián)系。上面的示例闡釋了具體的表觀遺傳“標(biāo)記"如何能與某一性別相關(guān)聯(lián)。然而，關(guān)于性別決定框架中的這些標(biāo)記如何“閱讀"仍是極不明白。有少量研究可能提供了一點線索。其中有個涉及到PHD Finger Protein 7 （PHF7）。PHF7無論在昆蟲還是哺乳動物中都比較保守，并且在果蠅的生殖干細(xì)胞系中在精原細(xì)胞中進(jìn)行雄性特異性表達(dá)。因此，Phf7對于

29、雄性果蠅中生殖系干細(xì)胞的維系似乎具有重要作用（Yang等，2012年）。Phf7 的表達(dá)促進(jìn) XX 型生殖細(xì)胞的精子發(fā)生，而在雌性生殖細(xì)胞中過量表達(dá)則導(dǎo)致生殖細(xì)胞系受損。此外，人類 PHF7 使果蠅 Phf7 突變體得以存活。有趣的是，給人和果蠅的蛋白質(zhì)連接組蛋白 H3 N-末端尾巴的話，傾向于選用二甲基賴氨酸 4 （H3K4me2）。基于這一證據(jù)，Yang等人（2012 年） 提出了 Phf7 充當(dāng)保守的表觀遺傳"閱讀者"，用于激活雄性生殖性別程序。正如前面我們所看到的，組蛋白 H3 9 賴氨酸甲基化 （H3K9me） 是異染色質(zhì)形成和轉(zhuǎn)錄沉默中關(guān)鍵的表觀遺傳標(biāo)記，和大多

30、數(shù)共價組蛋白賴氨酸修飾一樣，這種修飾是可逆的。因此，H3K9 甲基化和去甲基化也可以參與涉及到生殖細(xì)胞性別決定和精子發(fā)生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。至于H3K9 甲基化，G9a是主要的哺乳動物 H3K9 甲基轉(zhuǎn)移酶，對小鼠胚胎發(fā)育來說極為重要。Tachibana等人（2007 年） 表示 G9a 缺陷的生殖細(xì)胞在減數(shù)分裂前期會發(fā)生染色體聯(lián)會紊亂。G9a 缺陷生殖細(xì)胞中單甲基化和二甲基化 H3K9 (H3K9me1 和 2） 含量顯著降低，而在減數(shù)分裂過程中G9a 調(diào)節(jié)基因過量表達(dá)。最后，他們表示H3K9me1 和 2 在減數(shù)分裂前期中受到動態(tài)的性別差異性調(diào)控。這種遺傳和生化的證據(jù)有力地表明 G9a 介

31、導(dǎo)的表觀遺傳基因沉默對于合適的減數(shù)分裂前期的進(jìn)行是至關(guān)重要的，同時也表明H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶作為特定組合一起調(diào)控配子發(fā)生（Tachibana等，2007年）。2005 年，Jumonji基因 （Jmj）被鑒定為小鼠胚胎發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵核因子，對于心血管發(fā)育、 神經(jīng)管融合、 造血功能，肝臟發(fā)育起重要作用（Jung等，2005 年）。后來，Okada等人 （2007 年）揭示H3K9me2/1特異性去甲基化酶 JHDM2A (JmjC-domaincontaining histone demethylase 2A，也被稱為 JMJD1A) 直接連接并調(diào)控 （Tnp1） 轉(zhuǎn)型期核蛋白 1和魚

32、精蛋白 1 （Prm1） 基因的表達(dá)。JHDM2A也是精子染色質(zhì)包裝和凝聚所必需基因的產(chǎn)物。此外，通過功能喪失的方法，他們揭示了JHDM2A缺陷的小鼠表現(xiàn)出減數(shù)分裂后染色質(zhì)凝縮缺陷。因此，該研究揭示了JHDM2A是精子發(fā)生的必要條件（Okada等人，2007年）。由于JHDM2A缺陷的小鼠表現(xiàn)出成年型肥胖癥以及代謝失調(diào)，JHDM2A催化H3K9單甲基化和二甲基化的去除，并且也調(diào)控能量自穩(wěn)調(diào)節(jié)相關(guān)代謝基因的表達(dá)（Inagaki等人，2009年）。不過，組蛋白修飾和性別決定借由軀體中關(guān)鍵的性別決定基因的調(diào)控相聯(lián)系的直接證據(jù)是什么呢？最近，已經(jīng)探明H3K9去甲基化酶（上述提及）缺陷的XY型小鼠經(jīng)常表

33、現(xiàn)出性逆轉(zhuǎn)趨勢，有時甚至完全性逆轉(zhuǎn)，發(fā)育成有生育能力的雌性。通過RNA和蛋白質(zhì)表達(dá)分析，Tachibana等人（2012年）發(fā)現(xiàn)H3K9去甲基化能力的缺失會導(dǎo)致胚胎形成過程中Sry表達(dá)顯著下調(diào)。特別的是，在野生XY型雙向分化的體細(xì)胞中H3K9去甲基化酶在Sry位點累積，并導(dǎo)致在這些細(xì)胞中的Sry位點處的H3K9二甲基化水平的顯著提高以及H3K4三甲基化水平的顯著降低。這些發(fā)現(xiàn)為組蛋白甲基化和去甲基化在哺乳動物性別決定中所起的關(guān)鍵作用提供了首要證據(jù)。(Tachibana等, 2012年).雖然多梳家族（PcG；抑制子）和三胸家族（TrxG；激活子）蛋白的作用通過發(fā)育過程中適當(dāng)?shù)幕虮磉_(dá)譜的維持已

34、經(jīng)了解差不多(Schuettengruber等, 2007年)，但其在性別決定和性腺分化中的相關(guān)作用卻幾乎不了解。色素框同源蛋白2（CBX2，也稱作M33）是小鼠多梳同源蛋白。KatohFukui等人（1998年）研究表明CBX2小鼠突變體有一半死于斷奶前，而不全剩余存活的小鼠表現(xiàn)出性腺發(fā)育不全以及雄性向雌性的性逆轉(zhuǎn)。在XX及XY型純合子突變體中生殖嵴都發(fā)展遲緩。性腺發(fā)育缺陷的出現(xiàn)靠近Sry表達(dá)的時間點，暗示CBX2缺陷會經(jīng)由干擾Sry基因上游的步驟導(dǎo)致性逆轉(zhuǎn)（KatoFukui等，1998年）然而，CBX2調(diào)控性腺分化的機(jī)理仍然不明。最近，轉(zhuǎn)錄組學(xué)及免疫組織化學(xué)分析揭示了敲除CBX2基因的性

35、腺中有一批基因受影響，這些基因編碼性腺發(fā)育必要的轉(zhuǎn)錄因子，包括Sry, Sox9, Lhx9, Ad4BP/SF-1, Dax-1, Gata4, Arx, and Dmrt1。盡管CBX2敲除小鼠的睪丸仍然發(fā)育不全，過量表達(dá)Sry或Sox9能夠避免其發(fā)生雄性向雌性的性逆轉(zhuǎn)。這說明CBX2通過對Sry基因表達(dá)的調(diào)控參與睪丸分化，與有賴于不同基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的性腺性別及大小無關(guān)。（Katoh-Fukui等，2012年）非編碼RNA與性別決定非編碼RNA（ncRNAs）作為功能RNA分子并不翻譯成蛋白質(zhì)，而是在一些研究最多的復(fù)雜的表觀遺傳現(xiàn)象中發(fā)揮作用（Martiensen，1996年；Costa，2

36、008年）。ncRNAs根據(jù)它們核苷酸（nt）長度、結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分類（Zhou等，2010年）。就表觀遺傳調(diào)控而言，最有特點的ncRNAs是long ncRNAs（lncRNAs；>200 nt）以及microRNAs（ miRNAs；1925 nt）。lncRNAs例如roX 3 XIST分別在果蠅和小家鼠的劑量補(bǔ)償效應(yīng)的研究中到有涉及。劑量補(bǔ)償效應(yīng)是存在于動物體內(nèi)的一種染色體性別決定相關(guān)的現(xiàn)象，涉及到由于性染色體的數(shù)量不同而導(dǎo)致的性別特定基因表達(dá)不均衡，通過兩個性染色體其中一個進(jìn)行表觀遺傳染色質(zhì)修飾而受到抑制。（Angelopoulou等，2008年）另一方面，miRNAs的主要功

37、能是通過對使用度低的mRNAs進(jìn)行抑制或降解達(dá)到轉(zhuǎn)錄調(diào)控微調(diào)的目的?？偟膩碚f，ncRNAs通過在基因組中表觀遺傳沉默復(fù)合體對同源基因座的直接補(bǔ)充調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄（Chuang和Jones，2007年）。鑒定組織特定ncRNAs是理解這些分子包括性別決定的調(diào)控在內(nèi)的生物學(xué)功能關(guān)鍵的第一步。ncRNAs在性別決定的作用已經(jīng)在植物中得到揭示。在玉米(Zea mays)中，雄花和雌花以花序分組各自命名為雄穗和雌穗。性別決定通過雄穗中雌蕊的調(diào)零和雌穗中雄蕊的抑制而發(fā)生。indeterminate spikelet1 (ids1)是APETALA2植物同源異型轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，為小穗狀花序分生組織確定性所必

38、需。Chuck等人（2007年）發(fā)現(xiàn)tasselseed4(ts4)編碼作用于APETALA2的miRNA 172 (miR-172)，并且當(dāng)分生組織分化增殖時，ts4突變體容許在雄穗中進(jìn)行雌蕊發(fā)育。這些結(jié)果暗示，由于玉米通過植物同源異型途徑的負(fù)調(diào)控來抑制植物的發(fā)育以決定性別，所以性別決定和分生組織分化狀態(tài)的保持共有一條途徑。關(guān)于miRNAs在昆蟲中對于性腺分化的作用已經(jīng)在雙翅類昆蟲中如果蠅（Jin和Xie，2007年）及埃及伊蚊（Bryant等，2010年）中有所探索。埃及伊蚊是登革熱病毒主要傳播媒介，具備高度修飾的滋養(yǎng)型卵巢，其卵原細(xì)胞分裂成卵母細(xì)胞和營養(yǎng)細(xì)胞。也有研究發(fā)現(xiàn)一些物種例如德國

39、小蠊（網(wǎng)翅目，姬蠊屬），具有最原始的非滋養(yǎng)型卵巢，其所有卵原細(xì)胞都最終轉(zhuǎn)變成卵母細(xì)胞。（Irles等，2009年）后者由于 Dicer-1 (Dcr1，miRNA形成所需關(guān)鍵酶)的缺失產(chǎn)生不育雌性，其卵母細(xì)胞的發(fā)育表現(xiàn)出巨大的變化(Tanaka和Piulachs, 2012年)。在伊蚊中，miR-275被鑒定出來并發(fā)現(xiàn)對于卵的產(chǎn)生是必不可少的?？紤]到miRNAs在昆蟲繁殖的許多層面所起作用(Bellés, 2012年)，這些發(fā)現(xiàn)暗示著新的miRNAs將被鑒定出其可能與性別決定有所關(guān)聯(lián)。在魚類中，最近有報道稱在大西洋庸鰈（Hippoglossus hippoglossus）中分布于生殖

40、軸（腦和性腺）的器官中的miRNA有幾種是有性別偏向的表達(dá)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過雄性激素或是芳香酶抑制劑進(jìn)行雄性化后，一些miRNA的水平有所改變，這暗示這些miRNA對于激素信號有反應(yīng)。鳥類中性別決定研究最多的是雞，具備ZZ (雄性): ZW (雌性)染色體系統(tǒng)。相比于雌性，雄性擁有兩倍劑量的Z相關(guān)基因，并且與哺乳動物不同的是，不存在大范圍的劑量補(bǔ)償。在ZW雌性中只有很少一部分Z相關(guān)基因通過表達(dá)上調(diào)得到補(bǔ)償。最近研究表明基因表達(dá)上調(diào)能夠經(jīng)由一種稱作雄性過甲基化（MHM）的長非編碼RNA介導(dǎo)。該RNA是在受精后不久自雌性中唯一的Z染色體中表達(dá)。在雄性中，MHM由于甲基化而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默。（Teran

41、ishi等，2001年）性別差異如此明顯使得對雞基于性別特定甲基化模式明確的雌雄鑒定成為可能（Caetano 和 Ramos，2008年）。此外，MHM位點在組蛋白賴氨酸殘基16處富含乙?；@種修飾存在于雌性常染色質(zhì)中但不存在于雄性（Bisoni等，2005年）。有趣的是，這種特定的組蛋白修飾也富含于黑腹果蠅雄性X染色體上游調(diào)控區(qū)域，在劑量補(bǔ)償過程中發(fā)揮重要作用。（Bisoni等，2005年）近來有研究通過表達(dá)分析及逆轉(zhuǎn)錄病毒載體異常表達(dá)研究MHM在雞的胚胎發(fā)育中所起的潛在作用。（Roeszler等，2012年）整體原位雜交確認(rèn)了HMH只在雌性中表達(dá)，在性腺表達(dá)顯著但也在其他器官中表達(dá)。MH

42、M的異常表達(dá)造成它所表達(dá)的位置組織肥大，尤其是性腺喪失了特征性的鳥類左右非對稱發(fā)育。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)MHM的mRNA在非常接近于DMRT1位點的雌性Z染色體上積累。DMRT1對于雞的雄性性別決定是必需的。（Smith等，2009年）雄性中MHM的異常表達(dá)會削弱DMRT1在性腺中的表達(dá)，這暗示MHM除了有劑量補(bǔ)償效應(yīng)的作用，還在雞的性腺分化中起作用。（Roeszler等，2012年）如果確定是這樣的話，作為DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA共同作用的結(jié)果，這會成為多層次表觀遺傳調(diào)控的好例子。在雞的性別決定及性腺發(fā)育中進(jìn)行性別二態(tài)性表達(dá)ncRNA并不僅限于lncRNA，也可以包括miRNA例

43、如miR-363（盡管其在性分化中的作用依然不明）(Huang等， 2010年)。Bannister等人（2009年）報道了miRNA 202* (miR-202*)的雄性偏向的表達(dá)鑒定并提出它可能參與睪丸分化的假設(shè)。為了驗證這個假設(shè)，他們將E2注射到處于4.5天胚胎期(E4.5)的雞蛋誘導(dǎo)其雌性化，并分析了其miR-202*表達(dá)量的變化。分析得到的miR-202*表達(dá)量減少到雌性水平，并與睪丸相關(guān)基因DMRT1和SOX9表達(dá)量的減少以及卵巢相關(guān)基因FOXL2和CYP19A表達(dá)量的上調(diào)一致。另一方面，經(jīng)芳香化酶抑制劑處理的E3.5期雌性性腺由于阻礙了雌激素合成，到了E9.5期發(fā)生雄性化。在這種

44、情況下，miR-202*的表達(dá)量增加，同時這與FOXL2和CYP19A表達(dá)量的下調(diào)以及DMRT1和SOX9表達(dá)量的上調(diào)一致（Bannister等，2011年）。因此，miR-202*的上調(diào)與雞胚胎性腺的睪丸分化一致。上述關(guān)于雞的描述為不同表觀遺傳修飾如何幫助確保性別決定基因的適量表達(dá)提供了一個很好地例子。不過，若將可能的性別二態(tài)性ncRNA的數(shù)量考慮進(jìn)去的話，情況就有點復(fù)雜。在小鼠性腺中，幾種ncRNA也已經(jīng)標(biāo)記出來了（Ro 等，2007年；Ahn 等, 2010年）。Mishima等人（2008年）對成年小鼠睪丸和卵巢進(jìn)行了小RNA文庫測序，并且分別獲得了10，852和11，744的小RNA

45、克隆，其中包括6,630（159基因）和10,192（154基因）已知miRNA。在這些基因當(dāng)中，55miRNA在成年小鼠的睪丸和卵巢中檢測到排他性的高表達(dá)，或者說是占據(jù)主導(dǎo)地位。同時，也在其中發(fā)現(xiàn)了兩種新的miRNA。miRNA的偏雄性表達(dá)發(fā)生于X染色體。不過，這些miRNA的功能作用依然不明。體內(nèi)及體外研究（例如在瓊脂板上培養(yǎng)器官）對于闡釋這些miRNA的時空表達(dá)模式來說是必要的，并且另一方面也是為了揭示它們的過表達(dá)能夠?qū)е卤硇透淖兓蚴侵匾颍ㄈ鏢ry、Sox9或者Dmrt1）表達(dá)的變化。一種很有前途的方法便是對性腺特定miRNA進(jìn)行特征化。Takada等人（2012年）經(jīng)檢測21只小鼠

46、組織后發(fā)現(xiàn)miR-202是特異性存在于睪丸和卵巢組織中。最近，Chen等人（2012年）運(yùn)用微數(shù)列鑒定了許多新非編碼RNA，包括lncRNA 及miRNA。這些基因在早期性腺分化過程中表現(xiàn)出性別二態(tài)性表達(dá)，并且其中一些基因的表達(dá)用qRT-PCR進(jìn)行了驗證。不過，這些ncRNA在性別決定和性腺分化中的作用目前依然未知，相信在不久的將來可以明了。也是在最近，高通量RNA測序工程已經(jīng)著手用于研究lncRNA與反芻動物性別決定之間的關(guān)系。在山羊中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxl2位于容納了幾種lncRNA 的復(fù)合體位點中。無角山羊間性綜合征（PIS）是由于Fox12調(diào)控區(qū)域上游片段的缺失而誘導(dǎo)XX基因型山羊性逆轉(zhuǎn)的一種

47、突變（Pannetier等，2012年a）。PISTR1 和PFOXic這兩種lncRNA得到充分地鑒定。現(xiàn)有研究旨在建立這些lncRNA、染色質(zhì)構(gòu)象以及FOXL2調(diào)控之間的聯(lián)系（Pannetier等人，2012年b）。展望在本文中，我嘗試通過提供DNA甲基化轉(zhuǎn)錄后組蛋白修飾以及ncRNA新發(fā)現(xiàn)的作用來總結(jié)我們目前關(guān)于性別決定和性腺分化相關(guān)基因表觀遺傳調(diào)控的所有知識。表觀遺傳學(xué)對于性別決定和性腺分化事件的研究將會有進(jìn)一步的幫助。在將來，我們需要弄明白為染色質(zhì)如何改型以激活或抑制相關(guān)同源基因的轉(zhuǎn)錄，同時記住許多可能重要的基因還有待發(fā)掘。我們也需要了解表觀遺傳變化如何保持穩(wěn)定，使得在細(xì)胞分裂時將染色質(zhì)修飾傳遞給子細(xì)胞，并因此通過性腺分化保留下基因表達(dá)模式。這是真正的表觀遺傳調(diào)控的標(biāo)志。不過，然而，在這個層面應(yīng)該記住，組蛋白修飾是基因調(diào)控后的結(jié)果。然而在自然中，不是所有翻譯后組蛋白修飾都是表觀遺