Epigenetics of sex determination and gonadogenesis--本科论文翻译

1、性别决定和性腺分化的表观遗传学原文来源：Francesc Piferrer. Epigenetics of sex determination and gonadogenesisJ. Dev. Dyn.,2013,2424:.360-370译文正文：摘要表观遗传学通常被定义为对于不能用DNA序列改变解释的基因功能遗传性变化的研究。基因表达调控的三大表观遗传机制包括DNA甲基化，组蛋白修饰以及非编码RNA。表观遗传机制赋予了生物体结合基因组及环境中的信息修饰基因活性来产生特殊表型的能力。在发育过程中，细胞通过基因表达的改变进行分化，增殖并维持个体生长。作为保证物种的正常运转和延续的最重要发育过程

2、之一，这对于性别决定和分化是关键性的。本文对于表观遗传调控机制在植物、无脊椎动物及脊椎动物中如何促进它们的性别决定和生殖器官的形成所作的研究进行了总结。进一步进展将通过整合多种方法进行，包括基因组学和新一代测序方法。目的在于产生涉及不同层面的性别决定及性腺分化的表观遗传图。表观遗传学也将有助于我们理解一些障碍性发育的病因。它也可能在动物养殖场生产的生育控制中发挥重要作用，并将有助于我们认识环境与遗传对于处在全球变化的情况下敏感的物种性别决定的影响。关键词：DNA甲基化；组蛋白修饰；非编码RNA；多梳/三胸；性发育障碍；性分化；生育控制；全球变化正文表观遗传学是生物学中一个非常令人兴奋的领域，当

3、下正经历着惊人的发展。表观遗传学的范围（Eccleston等，2007年） 是辩论的主题，并因此提出了几个定义（Bird，2007年）。这里，我将使用Russo等人提出的定义：表观遗传学是“有关引起可遗传的基因功能改变的有丝分裂和/或减数分裂的研究，这些变化无法以DNA序列改变来解释。”在定义中的专业术语"遗传"一词已经产生了某些混淆，因为实际上它传递了两个不同的含义： 这些变化不仅是在细胞有丝分裂过程中从一个细胞遗传给它的子细胞，还在配子形成过程中通过细胞的减数分裂遗传，继而能够将这些变化从父母传递到后代(Gilbert 和 Epel, 2009年)。被认可的表观遗传调控

4、的事件或现象的例子包括在酵母的交配型基因沉默、 植物中的温度依赖性春化作用、花斑位置效应、基因印记以及在哺乳动物中的 x 染色体失活现象(Wakimoto, 1998; Brock 和 Fisher, 2005)。图1. 通过表观遗传调控机制，基因与环境信息相结合产生既定表型。三个水平如下依次描述：（1）Epigenators信号例如温度；（2）表观遗传起始信号例如DNA结合蛋白(DNA-BP)或是非编码RNA(ncRNA)例如贴附与DNA上的XIST（双杠蓝线）；以及（3）表观遗传保持信号例如DNA修饰酶（如DNA甲基转移酶，DNMT）、组蛋白尾巴（紫色小球）修饰/去修饰酶（如组蛋白乙酰基转

5、移酶，HAT;组蛋白去乙酰化酶,HDAC;组蛋白变体，与红色圆圈相对的绿色圆圈）。该表观遗传信号通路基于Berger等人（2009年）的研究以及Turner（2007年）的可能结果。典型的基因表达调控表观遗传学机制包括DNA甲基化、组蛋白及其变体的修饰以及非编码RNA的存在(Brock和Fisher, 2005年)。在本文中，我将以这样的顺序来叙述。不过，有两点需要注意，一点是这些机制是同时发生的，另一点是这种顺序并不一定反映在细胞水平实际所发生的。因此，Berger等人（2009年）为推动表观遗传学的操作性描述，提出在稳定遗传的表观遗传学状态下次序运转的三类信号。第一类是从细胞环境中接收的信

6、号，例如分化信号或温度变化，称为 Epigenator。染色体上游事件的起始是Epigenator 信号的一部分；不仅环境能激发信号本身，并且随后的信号通路也会激发出信号（图1）。Epigenator 信号可能是瞬时的并足以触发表观遗传表型的产生而其维持不是必需的。第二类信号是表观遗传起始信号，在细胞内作为基于局部染色质中的的响应信号，对于 Epigenator 信号作出响应。由于表观遗传启动信号必须能够精确识别染色质结构（Berger等，2009年） 的坐标，所以它们需要某一类序列进行识别。例子包括 DNA 结合蛋白以及像XIST这类的非编码RNA，足以使哺乳动物的 X 染色体发生沉默。由于

7、这类信号一般涉及正反馈回路，表观遗传启动信号在其作用后不消散。第三类信号是表观遗传保持信号，作为一个持续的信号，并不足以启动但能够通过后代传递表观遗传状态从而保持染色质的变更。后一类的例子包括 DNA 甲基化、 组蛋白修饰和组蛋白变体 （Berger等人，2009年）。然而，表观遗传修饰的一个重要特点是可逆性。因此，表观遗传修饰表现了保持和可逆 （James 和Renard，2010年） 之间的平衡。细胞在发育过程中分化通过彼此之间或与环境的相互作用进行增殖。基因表达模式的改变是细胞分化的一个基本特征，而这些模式的保持是维持细胞个体存在的一个关键部分 (Brock 和 Fisher, 2005

8、年; Kiefer, 2007年)。因此，表观遗传机制赋予了生物体结合基因组及环境中的信息修饰基因活性来产生特殊表型的能力，以应对内外环境的变化（Turner，2009年）。适当的繁殖能力以及物种的永久延续的最重要发展进程之一是性别决定和性腺分化。性别决定是个体的性别 （性别，雄性或雌性） 建立在一个简单的二元命运决定的受遗传或环境影响的过程。有两种主要类型的性别决定机制： 一种是基因型性别决定 （GSD），即性别在怀孕时已经决定，并且性别间具备遗传差异 ；另一种是环境性别决定 (ESD)，两性间没有一致的遗传差异，并且性别决定发生在受精后，响应于环境信号。另一方面，性别分化是未分化的性腺转化

9、为卵巢或睾丸的主要过程，但还包括其他方面的分化，其中包括相关联的生殖管以及外生殖器的发育和性别特异性的大脑差异的产生(Valenzuela 和 Lance, 2004年; Penman 和 Piferrer, 2008年)。由于胚胎性腺是唯一可以发育成两个能相互促进的独特表型的器官，因而是独特的。性腺体细胞最初具备双向分化潜能，易遭受拮抗信号转导通路和转录网络 (Kim 和Capel ，2006年） 的共同作用。性别命运是通过激活睾丸及卵巢通路并以两性异形的方式抑制其替代途径许多基因的表达来决定的 (Munger 和 Capel,2012年)。在基因必须以紧密的时空方式激活或抑制的发育背景下，

10、（Barrionuevo 等，2012年），基因表达调控的表观遗传学机制作用变得极为重要。更重要的是，在性腺分化的关键时期表观遗传标记为基因表达过程在遗传与环境的控制上增添了复杂性。关于这一点，我查阅了最近与性别决定和性别分化相关的表观遗传学机制研究，发现主要指的是脊椎动物，偶尔也提到无脊椎动物或植物。本篇文章并不打算写得很全面，相反的是，本文目的在于为将来的研究着重提供一般特征并产生关注。另一方面，相比较于体细胞，在生殖细胞中的染色质转型现象仍然知之甚少。在生殖细胞增殖并进入减数分裂的期间发生的表观遗传转型已经是众所周知(Ewen 和 Koopman, 2010年; Kota 和 Feil,

11、 2010年)。此外，发生在性腺生殖细胞性别分化后的基因调控的表观遗传学机制，例如精子发生（Khalil和 Wahlestedt，2008 年 ；McIver 等，2012年) 和卵子发生 （Bromfield等，2008年）以及成熟配子和早期胚胎发育中的表观遗传标记也为人所熟知(Hales 等，2011年)。至于非性腺分化，越来越多的证据表明表观遗传机制在大脑的性别分化过程中某些方面上能有助于性腺激素产生和维持对于神经元基底的诱导激活和组织反应。神经内分泌和行为表现型的表观遗传编码频繁地出现伴性现象（Levenson和Sweatt，2005年），暗示在脑表观遗传学中性别差异可能作为一个决定因

12、素 （Menger等，2010年）。DNA甲基化和性别决定在细胞核内的DNA分子的甲基化是最有特点的表观遗传修饰之一。甲基基团取代的是邻近鸟苷（CpG）的脱氧胞苷上的5C。反应是由DNA甲基转移酶 （DNMTs）酶系催化的。有以下两个重要的 DNMTs： DNMT1甲基化半甲基化位点上的未甲基化的碱基，并且由于在细胞分裂过程中DNMT1负责拷贝现有甲基化模板，因此就被称为维持DNMT1 （因此使表观遗传标记具备可遗传性）。另一种是 DNMT3，它在先前未甲基化的 CpG上放置甲基化标记，因此负责DNA从新甲基化 （Hermann等人，2004 年）。在整个基因组中CpG通常被甲基化。CpG 岛

13、是基因组富含CpG的区域，通常与启动子或调控区域相关联。在这些 CpG 岛中的甲基化水平的变化是与基因表达调控相关联。此外，DNA甲基化状态发生变化（例如在两个发育阶段之间发生变化）的基因组区域，被称为差异甲基化区域 (DMR)。在发育过程中存在DNA 甲基化的两个例子是 x 染色体失活和基因组印记。在后一个例子中，尽管DNA来自同一对染色体中，具备相同的序列，但在雌雄种系调控区域的DNA甲基化模式的差异导致基因组中的一连串基因随父本或母本特异性表达(Strogantsev 等， 2012年)。在植物中，表观遗传学机制所涉及的性别决定到目前为止在少数情况下有所描述，包括玉米，栽培玉米亚种，这也

14、是表观遗传学研究受压制的一个因素（Parkinson等，2007年）。不过，这些机制在植物性别决定中到底有多普遍目前仍未可知。其中一个案例是关于葫芦科代表性植物甜瓜（Cucumis melo）。瓜类中，在雌全同株个体（例如在主茎上开雄花并且雌花或两性花开在腋生枝上）中编码CmACS-7 乙烯生物合成酶的基因和转录因子 CmWIP1 编码基因相互作用来调控雄花、雌花以及两性花的发育。在全雌植物种系（只开雌花） 中，雄花转变为雌花是由于转座子Gyno-hAT的插入引起CmWIP1 启动子产生表观遗传改变。这个转座子在 CmWIP1 启动子进行DNA甲基化的起始和维持的过程中是必需的（Martin等

15、，2009年）。Gorelick（2003 年）假设雌雄异株和性染色体起源于二倍体雌雄同株祖先中的一对常染色体其中的一条，这条染色体相比较于其同源染色体带有更多甲基，接近于一个性别控制区域。甲基化会抑制转录，包括影响配子的产生因而使雌雄同株转变为雄花或雌花。差异甲基化也会抑制重组，提升穆勒齿轮的速度。同样的假设也由 Jablonka （2004 年）提出了。这种观点的假预测之一是ESD型物种要求性染色体同态，并且环境的微小变化就能改变性别相关基因位点甲基化模式，因而决定了个体性别(Gorelick, 2003年)。不可否认，环境因素可以改变基因表达，从而产生表型。ESD，ESD是一个很好的例子

16、，通过早期发育关键时期某个环境因素的改变能够影响后代的性别。温度依赖性性别决定 （TSD） 是ESD的一种，并且在鱼类和爬行类动物中性别比例随温度变化的现象是很常见的。在非哺乳类脊椎动物中芳香化酶 （cyp19a1） 是雄激素转化为雌激素的关键类固醇生成酶，因而是卵巢分化的必要条件。在鱼类和爬行动物中，温度诱导的雄性化是总是与 cyp19a1 基因的表达抑制相联系（Ospina-Alvarez和 Piferrer，2008 年 ；Ramsey和Crews，2009年）。不过，与早期发育期间的温度以及性别比例有关的机制已经是许多辩论的主题(Lance, 2009年)。在欧洲海鲈这种多基因决定性别

17、的鱼类中，遗传和温度共同决定性别(Piferrer 等，2005； Vandeputte 等， 2007), 并且幼鱼阶段经历热敏感时期 （TSP） 。而Navarro-Martn等人（2011 年）提出在其性腺形成前 ，雄性幼鱼cyp19a1 启动子的DNA 甲基化水平是雌性幼鱼的两倍。雌鱼在热敏感期受到高温影响，致使该启动子的甲基化水平升高。并且，我们发现甲基化水平与cyp19a1表达量之间存在负相关关系，这暗示雄性化的诱导涉及 DNA 甲基化介导 的cyp19a1 基因表达的调控。包含不同CpG岛的cyp19a1 启动子表现出对温度的不同敏感性。然而，在性腺中检测到cyp19a1 启动子

18、甲基化水平的升高，而在大脑中却未检测到，暗示这种现象不是温度的普遍效应。此外，温度效应也可在性别未分化的鱼中观察到，并且用雌激素进行处理也不受影响。因此，cyp19a1 基因启动子甲基化导致在温度性雄化鱼中cyp19a1 表达量的降低。体外功能性研究表明诱导的甲基化 cyp19a1 启动子抑制 Sf-1 和 Foxl2 刺激转录的能力。这些发现构成第一个表观遗传机制介导作用于脊椎动物性别比例的温度效应的例子。在同样的研究中，我们观察到毗邻 Sox 转录因子结合位点并受温度诱导差异甲基化的CpG 位点在一些物种是保守的。这项研究似乎暗示芳香化酶基因启动子的 DNA 甲基化可能是长期所探寻机制的重

19、要组成部分，构成联系环境温度和温度依赖性性别决定的脊椎动物物种的性别比例之间的纽带(NavarroMart等，2011年）。一件很有趣的事是TSD型爬行动物中是否存在一个类似的运转机制（热敏感期与性别决定在同一时期发生），例如在海鲈中观察到的温度辐射与性别分化之间的时间差就不适用于该机制。此外，TSD机制已经多次经历过隔离进化。因此，虽然许多机制可能参与芳香化酶调节，但还可能有其他除了DNA 甲基化的能介导温度效应的机制。许多连续的雌雄同株整合内部和外部的信号来调控逆转过程。鲷科鱼类家族中的雌雄雄性性征先成熟的现象已经是有关于雌雄转变的基因与分子内分泌学许多工作的主题（Wu等，2010年），黑

20、鲷 （Acanthopagrus schlegeli)是该家族中的一员。在前两个生殖周期，性腺的卵巢部分仍然是处于失活状态，并且卵母细胞停留在初级卵母细胞阶段。此外，处于失活状态的卵巢组织无法经雌二醇-17b （E2） 处理激活而通过外科手术切除精巢组织却可以激活，这暗示精巢组织的存在以不为人所知的方式抑制了卵巢组织的发育。不同卵巢相之间的总体甲基化水平测定结果显示不存在差异(卵黄合成前卵母细胞、卵黄合成期卵母细胞以及成熟的卵母细胞)。然而，在失活卵巢中的cyp19a1 启动子 DNA 甲基化水平高于活跃的卵巢，这暗示 cyp19a1 的表达除了受传统的cyp19a1转录激活因子（例如Sf-1

21、 和 Foxl2；Wu等人，2012年a）的调控，还受表观遗传学机制的调控。相反的是，通过DNA甲基化免疫共沉淀技术得到的结果是dmrt1启动子在精巢发育的任一阶段中的DNA甲基化水平不存在差异性(Guan-Chung Wu 和 Ching-Fong Chang, 私下交流)，而 dmrt1基因对于睾丸分化、性别决定以及自然性逆转都起着同样重要的作用（Wu 等人, 2012年b）。因此，在其他两性生殖物种中两性之间有可能存在cyp19a1 启动子甲基化水平的改变，与温度敏感的物种以及雌雄同体性逆转过程中的情况一致。由于遗传和环境共同作用于性别比例，典型生殖力旺盛的一类动物鱼类和爬行动物将作为在

22、性别决定和性腺分化的过程中探求表观遗传学机制原理的进一步研究的重点。前面我们已经看到，DNMTs 是 DNA 甲基化的必要条件以并且有几项研究表明DNMTs 的表达与在多种动物模型中的不同方面的发育有联系。然而，很少有研究涉及到DNMT 表达的变化与性别决定或性腺分化特异性相关。La Salle等人（2004年）在发育中的小鼠睾丸和卵巢中进行的研究表明，不同的 DNMT 家庭成员在生殖细胞中对于从新甲基化及其维持有着特定的作用。他们比较了雄性和雌性的生精细胞在性腺分化前中后时期中 DNMT的时空表达模式，其中包括自胚胎性腺得到的原生殖细胞的发生在E10.5 和E12.5之间的重新甲基化事件（R

23、eik 等, 2001；Sasaki 和 Matsui, 2008年)。我们用Real-time RT-PCR同时得到三种DNMT3的表达谱，以寻找能够在两性生殖细胞系中建立甲基化模式的候补DNMT3。DNMT1（DNA甲基化维持信号）作为参照。基于DNMT3a 和 DNMT3l相应基因表达谱结果显示了这两者间有相互作用。后者是主要的DNMT3酶，在产后生殖细胞系中DNA甲基化模式建立的时候达到高水平。在雌性动物刚出生后，DNMT1和 DNMT3b的表达水平相继到顶，这与它们在增殖的精原细胞中维持甲基化模式的作用一致(La Salle 等, 2004年)。尽管在生殖细胞中的表观遗传改变的特点很

24、有价值，但鉴于体细胞在性别决定中的关键作用，它们在体细胞中的作用可能更为重要。调控性别决定和分化的基因主要在这些细胞中表达，并受到复杂机制的调控。在正常的个体发育过程中，兽哺乳动物性别决定基因Sry通过指导支持细胞前体发育成支持细胞而非粒层细胞来激活睾丸组织的分化，并且在小鼠交配后的10.5到12.5天(dpc)时的性腺体细胞中其表达受限(DiNapoli和Capel, 2008年; Hiramatsu等, 2009年)。在交配后8.5天的胚胎中，在Sry基因还未表达时候进行亚硫酸氢钠测序，结果显示其启动子区域过甲基化。然而，在交配后11.5天的胚胎性腺中，这片区域出现特异性过甲基化。同时，在

25、Sry基因未表达的组织中这片区域仍然保持过甲基化。这暗示Sry受涉及DNA甲基化机制的表观遗传调控(Nishino 等, 2004年)。基因启动子的过甲基化一般与基因的转录激活相关，并因此检测到的Sry的变化是有点符合期望。不过，在其他20余个基因（一般与性别决定和分化有关）中的启动子区域甲基化水平的变化还值得进一步研究。组蛋白修饰及性别决定核小体是染色质的功能单位并构成组蛋白八聚体 （H2A、 H2B、 H3、 H4各两个) (Luger 和Richmond，1998年)。核小体对转录进行调控从而通过氨基酸残基翻译后共价修饰发挥基因调控作用 (Jenuwein 和 Allis, 2001年)

26、。组蛋白H3赖氨酸4三甲基化(H3K4me3)构成重要的 H3 转录活性相关的修饰改变，然而组蛋白H3赖氨酸 9 甲基化（H3K9me） 具有相反的效果。还有证据表明，H3K9me3 能募集并激活 DNMTs （urner，2009年）。组蛋白乙酰化也是最重要的组蛋白修饰之一，并且借助于组蛋白乙酰基转移酶 （HATs） 产生。另一方面，组蛋白去乙酰化酶 （HDAC）可逆去掉HATs所添加的表观遗传标记。许多参与染色质重塑的酶对环境和代谢因子的变化很敏感，并因此可以作为感应器对可以改变基因表达的环境因子进行检测（Turner，2009年）。Coccoids (蚧虫）包括粉蚧在内是两性异形的植物寄

27、生虫，存在着种类繁多的染色体系统。在其许多物种中，雄性胚胎中的父系染色体发生特定的异染色质化，随后这些染色体在精子发生过程中从雄性生殖系中被消除掉。这样，通过精子发生，雄性单一性的传递一套相同的母系染色体。这非同寻常的细胞学系统被命名为 lecanoid 系统 （Brown 和 Nelson-Rees，1961年）。在这种物种中，后代性别是由受精卵的细胞质中的父系染色体是失活决定的 (Haig，1993年）。在带有lecanoid 染色体系统的粉蚧如柑橘刺粉蚧中，Buglia 和Ferraro (2004) 对甲基化赖氨酸 9 组蛋白 H3 （H3K9me） 和异染色质蛋白 1 （HP1）使用

28、抗体以这些印迹现象所涉及的表观遗传修饰。他们发现来自于既定减数分裂的配子虽然携带相同的基因组，却在 H3K9me 和 HP1水平上有差别，并且其中一个被两者的抗体大量标记。这暗示了印迹和性别决定之间存在联系。上面的示例阐释了具体的表观遗传“标记"如何能与某一性别相关联。然而，关于性别决定框架中的这些标记如何“阅读"仍是极不明白。有少量研究可能提供了一点线索。其中有个涉及到PHD Finger Protein 7 （PHF7）。PHF7无论在昆虫还是哺乳动物中都比较保守，并且在果蝇的生殖干细胞系中在精原细胞中进行雄性特异性表达。因此，Phf7对于雄性果蝇中生殖系干细胞的维系似

29、乎具有重要作用（Yang等，2012年）。Phf7 的表达促进 XX 型生殖细胞的精子发生，而在雌性生殖细胞中过量表达则导致生殖细胞系受损。此外，人类 PHF7 使果蝇 Phf7 突变体得以存活。有趣的是，给人和果蝇的蛋白质连接组蛋白 H3 N-末端尾巴的话，倾向于选用二甲基赖氨酸 4 （H3K4me2）。基于这一证据，Yang等人（2012 年） 提出了 Phf7 充当保守的表观遗传"阅读者"，用于激活雄性生殖性别程序。正如前面我们所看到的，组蛋白 H3 9 赖氨酸甲基化 （H3K9me） 是异染色质形成和转录沉默中关键的表观遗传标记，和大多数共价组蛋白赖氨酸修饰一样，这

30、种修饰是可逆的。因此，H3K9 甲基化和去甲基化也可以参与涉及到生殖细胞性别决定和精子发生相关基因的转录调控。至于H3K9 甲基化，G9a是主要的哺乳动物 H3K9 甲基转移酶，对小鼠胚胎发育来说极为重要。Tachibana等人（2007 年） 表示 G9a 缺陷的生殖细胞在减数分裂前期会发生染色体联会紊乱。G9a 缺陷生殖细胞中单甲基化和二甲基化 H3K9 (H3K9me1 和 2） 含量显著降低，而在减数分裂过程中G9a 调节基因过量表达。最后，他们表示H3K9me1 和 2 在减数分裂前期中受到动态的性别差异性调控。这种遗传和生化的证据有力地表明 G9a 介导的表观遗传基因沉默对于合适的

31、减数分裂前期的进行是至关重要的，同时也表明H3K9甲基转移酶和去甲基化酶作为特定组合一起调控配子发生（Tachibana等，2007年）。2005 年，Jumonji基因 （Jmj）被鉴定为小鼠胚胎发育相关的关键核因子，对于心血管发育、 神经管融合、 造血功能，肝脏发育起重要作用（Jung等，2005 年）。后来，Okada等人 （2007 年）揭示H3K9me2/1特异性去甲基化酶 JHDM2A (JmjC-domaincontaining histone demethylase 2A，也被称为 JMJD1A) 直接连接并调控 （Tnp1） 转型期核蛋白 1和鱼精蛋白 1 （Prm1） 基因

32、的表达。JHDM2A也是精子染色质包装和凝聚所必需基因的产物。此外，通过功能丧失的方法，他们揭示了JHDM2A缺陷的小鼠表现出减数分裂后染色质凝缩缺陷。因此，该研究揭示了JHDM2A是精子发生的必要条件（Okada等人，2007年）。由于JHDM2A缺陷的小鼠表现出成年型肥胖症以及代谢失调，JHDM2A催化H3K9单甲基化和二甲基化的去除，并且也调控能量自稳调节相关代谢基因的表达（Inagaki等人，2009年）。不过，组蛋白修饰和性别决定借由躯体中关键的性别决定基因的调控相联系的直接证据是什么呢？最近，已经探明H3K9去甲基化酶（上述提及）缺陷的XY型小鼠经常表现出性逆转趋势，有时甚至完全性

33、逆转，发育成有生育能力的雌性。通过RNA和蛋白质表达分析，Tachibana等人（2012年）发现H3K9去甲基化能力的缺失会导致胚胎形成过程中Sry表达显著下调。特别的是，在野生XY型双向分化的体细胞中H3K9去甲基化酶在Sry位点累积，并导致在这些细胞中的Sry位点处的H3K9二甲基化水平的显著提高以及H3K4三甲基化水平的显著降低。这些发现为组蛋白甲基化和去甲基化在哺乳动物性别决定中所起的关键作用提供了首要证据。(Tachibana等, 2012年).虽然多梳家族（PcG；抑制子）和三胸家族（TrxG；激活子）蛋白的作用通过发育过程中适当的基因表达谱的维持已经了解差不多(Schuette

34、ngruber等, 2007年)，但其在性别决定和性腺分化中的相关作用却几乎不了解。色素框同源蛋白2（CBX2，也称作M33）是小鼠多梳同源蛋白。KatohFukui等人（1998年）研究表明CBX2小鼠突变体有一半死于断奶前，而不全剩余存活的小鼠表现出性腺发育不全以及雄性向雌性的性逆转。在XX及XY型纯合子突变体中生殖嵴都发展迟缓。性腺发育缺陷的出现靠近Sry表达的时间点，暗示CBX2缺陷会经由干扰Sry基因上游的步骤导致性逆转（KatoFukui等，1998年）然而，CBX2调控性腺分化的机理仍然不明。最近，转录组学及免疫组织化学分析揭示了敲除CBX2基因的性腺中有一批基因受影响，这些基因

35、编码性腺发育必要的转录因子，包括Sry, Sox9, Lhx9, Ad4BP/SF-1, Dax-1, Gata4, Arx, and Dmrt1。尽管CBX2敲除小鼠的睾丸仍然发育不全，过量表达Sry或Sox9能够避免其发生雄性向雌性的性逆转。这说明CBX2通过对Sry基因表达的调控参与睾丸分化，与有赖于不同基因调控网络的性腺性别及大小无关。（Katoh-Fukui等，2012年）非编码RNA与性别决定非编码RNA（ncRNAs）作为功能RNA分子并不翻译成蛋白质，而是在一些研究最多的复杂的表观遗传现象中发挥作用（Martiensen，1996年；Costa，2008年）。ncRNAs根据它

36、们核苷酸（nt）长度、结构及功能进行分类（Zhou等，2010年）。就表观遗传调控而言，最有特点的ncRNAs是long ncRNAs（lncRNAs；>200 nt）以及microRNAs（ miRNAs；1925 nt）。lncRNAs例如roX 3 XIST分别在果蝇和小家鼠的剂量补偿效应的研究中到有涉及。剂量补偿效应是存在于动物体内的一种染色体性别决定相关的现象，涉及到由于性染色体的数量不同而导致的性别特定基因表达不均衡，通过两个性染色体其中一个进行表观遗传染色质修饰而受到抑制。（Angelopoulou等，2008年）另一方面，miRNAs的主要功能是通过对使用度低的mRNAs

37、进行抑制或降解达到转录调控微调的目的。总的来说，ncRNAs通过在基因组中表观遗传沉默复合体对同源基因座的直接补充调控基因转录（Chuang和Jones，2007年）。鉴定组织特定ncRNAs是理解这些分子包括性别决定的调控在内的生物学功能关键的第一步。ncRNAs在性别决定的作用已经在植物中得到揭示。在玉米(Zea mays)中，雄花和雌花以花序分组各自命名为雄穗和雌穗。性别决定通过雄穗中雌蕊的调零和雌穗中雄蕊的抑制而发生。indeterminate spikelet1 (ids1)是APETALA2植物同源异型转录因子家族的一员，为小穗状花序分生组织确定性所必需。Chuck等人（2007年

38、）发现tasselseed4(ts4)编码作用于APETALA2的miRNA 172 (miR-172)，并且当分生组织分化增殖时，ts4突变体容许在雄穗中进行雌蕊发育。这些结果暗示，由于玉米通过植物同源异型途径的负调控来抑制植物的发育以决定性别，所以性别决定和分生组织分化状态的保持共有一条途径。关于miRNAs在昆虫中对于性腺分化的作用已经在双翅类昆虫中如果蝇（Jin和Xie，2007年）及埃及伊蚊（Bryant等，2010年）中有所探索。埃及伊蚊是登革热病毒主要传播媒介，具备高度修饰的滋养型卵巢，其卵原细胞分裂成卵母细胞和营养细胞。也有研究发现一些物种例如德国小蠊（网翅目，姬蠊属），具有最

39、原始的非滋养型卵巢，其所有卵原细胞都最终转变成卵母细胞。（Irles等，2009年）后者由于 Dicer-1 (Dcr1，miRNA形成所需关键酶)的缺失产生不育雌性，其卵母细胞的发育表现出巨大的变化(Tanaka和Piulachs, 2012年)。在伊蚊中，miR-275被鉴定出来并发现对于卵的产生是必不可少的。考虑到miRNAs在昆虫繁殖的许多层面所起作用(Bellés, 2012年)，这些发现暗示着新的miRNAs将被鉴定出其可能与性别决定有所关联。在鱼类中，最近有报道称在大西洋庸鲽（Hippoglossus hippoglossus）中分布于生殖轴（脑和性腺）的器官中的miR

40、NA有几种是有性别偏向的表达。进一步发现，通过雄性激素或是芳香酶抑制剂进行雄性化后，一些miRNA的水平有所改变，这暗示这些miRNA对于激素信号有反应。鸟类中性别决定研究最多的是鸡，具备ZZ (雄性): ZW (雌性)染色体系统。相比于雌性，雄性拥有两倍剂量的Z相关基因，并且与哺乳动物不同的是，不存在大范围的剂量补偿。在ZW雌性中只有很少一部分Z相关基因通过表达上调得到补偿。最近研究表明基因表达上调能够经由一种称作雄性过甲基化（MHM）的长非编码RNA介导。该RNA是在受精后不久自雌性中唯一的Z染色体中表达。在雄性中，MHM由于甲基化而导致转录沉默。（Teranishi等，2001年）性别差

41、异如此明显使得对鸡基于性别特定甲基化模式明确的雌雄鉴定成为可能（Caetano 和 Ramos，2008年）。此外，MHM位点在组蛋白赖氨酸残基16处富含乙酰化，这种修饰存在于雌性常染色质中但不存在于雄性（Bisoni等，2005年）。有趣的是，这种特定的组蛋白修饰也富含于黑腹果蝇雄性X染色体上游调控区域，在剂量补偿过程中发挥重要作用。（Bisoni等，2005年）近来有研究通过表达分析及逆转录病毒载体异常表达研究MHM在鸡的胚胎发育中所起的潜在作用。（Roeszler等，2012年）整体原位杂交确认了HMH只在雌性中表达，在性腺表达显著但也在其他器官中表达。MHM的异常表达造成它所表达的位置

42、组织肥大，尤其是性腺丧失了特征性的鸟类左右非对称发育。有趣的是，研究发现MHM的mRNA在非常接近于DMRT1位点的雌性Z染色体上积累。DMRT1对于鸡的雄性性别决定是必需的。（Smith等，2009年）雄性中MHM的异常表达会削弱DMRT1在性腺中的表达，这暗示MHM除了有剂量补偿效应的作用，还在鸡的性腺分化中起作用。（Roeszler等，2012年）如果确定是这样的话，作为DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA共同作用的结果，这会成为多层次表观遗传调控的好例子。在鸡的性别决定及性腺发育中进行性别二态性表达ncRNA并不仅限于lncRNA，也可以包括miRNA例如miR-363（尽管其在性分

43、化中的作用依然不明）(Huang等， 2010年)。Bannister等人（2009年）报道了miRNA 202* (miR-202*)的雄性偏向的表达鉴定并提出它可能参与睾丸分化的假设。为了验证这个假设，他们将E2注射到处于4.5天胚胎期(E4.5)的鸡蛋诱导其雌性化，并分析了其miR-202*表达量的变化。分析得到的miR-202*表达量减少到雌性水平，并与睾丸相关基因DMRT1和SOX9表达量的减少以及卵巢相关基因FOXL2和CYP19A表达量的上调一致。另一方面，经芳香化酶抑制剂处理的E3.5期雌性性腺由于阻碍了雌激素合成，到了E9.5期发生雄性化。在这种情况下，miR-202*的表达

44、量增加，同时这与FOXL2和CYP19A表达量的下调以及DMRT1和SOX9表达量的上调一致（Bannister等，2011年）。因此，miR-202*的上调与鸡胚胎性腺的睾丸分化一致。上述关于鸡的描述为不同表观遗传修饰如何帮助确保性别决定基因的适量表达提供了一个很好地例子。不过，若将可能的性别二态性ncRNA的数量考虑进去的话，情况就有点复杂。在小鼠性腺中，几种ncRNA也已经标记出来了（Ro 等，2007年；Ahn 等, 2010年）。Mishima等人（2008年）对成年小鼠睾丸和卵巢进行了小RNA文库测序，并且分别获得了10，852和11，744的小RNA克隆，其中包括6,630（15

45、9基因）和10,192（154基因）已知miRNA。在这些基因当中，55miRNA在成年小鼠的睾丸和卵巢中检测到排他性的高表达，或者说是占据主导地位。同时，也在其中发现了两种新的miRNA。miRNA的偏雄性表达发生于X染色体。不过，这些miRNA的功能作用依然不明。体内及体外研究（例如在琼脂板上培养器官）对于阐释这些miRNA的时空表达模式来说是必要的，并且另一方面也是为了揭示它们的过表达能够导致表型改变或是重要基因（如Sry、Sox9或者Dmrt1）表达的变化。一种很有前途的方法便是对性腺特定miRNA进行特征化。Takada等人（2012年）经检测21只小鼠组织后发现miR-202是特异

46、性存在于睾丸和卵巢组织中。最近，Chen等人（2012年）运用微数列鉴定了许多新非编码RNA，包括lncRNA 及miRNA。这些基因在早期性腺分化过程中表现出性别二态性表达，并且其中一些基因的表达用qRT-PCR进行了验证。不过，这些ncRNA在性别决定和性腺分化中的作用目前依然未知，相信在不久的将来可以明了。也是在最近，高通量RNA测序工程已经着手用于研究lncRNA与反刍动物性别决定之间的关系。在山羊中发现，Foxl2位于容纳了几种lncRNA 的复合体位点中。无角山羊间性综合征（PIS）是由于Fox12调控区域上游片段的缺失而诱导XX基因型山羊性逆转的一种突变（Pannetier等，2

47、012年a）。PISTR1 和PFOXic这两种lncRNA得到充分地鉴定。现有研究旨在建立这些lncRNA、染色质构象以及FOXL2调控之间的联系（Pannetier等人，2012年b）。展望在本文中，我尝试通过提供DNA甲基化转录后组蛋白修饰以及ncRNA新发现的作用来总结我们目前关于性别决定和性腺分化相关基因表观遗传调控的所有知识。表观遗传学对于性别决定和性腺分化事件的研究将会有进一步的帮助。在将来，我们需要弄明白为染色质如何改型以激活或抑制相关同源基因的转录，同时记住许多可能重要的基因还有待发掘。我们也需要了解表观遗传变化如何保持稳定，使得在细胞分裂时将染色质修饰传递给子细胞，并因此通过性腺分化保留下基因表达模式。这是真正的表观遗传调控的标志。不过，然而，在这个层面应该记住，组蛋白修饰是基因调控后的结果。然而在自然中，不是所有翻译后组蛋白修饰都是表观