Sox基因家族在水生動物性腺發(fā)育中的功能研究進(jìn)展

徐東杰，謝 熙，王蒙恩，王振亞，朱冬發(fā)

(寧波大學(xué) 海洋學(xué)院，寧波 315211)

性腺發(fā)育對水生動物的繁殖與種群延續(xù)至關(guān)重要。水生動物的性腺發(fā)育包括原始性腺的形成、性腺的分化、發(fā)育以及成熟等生理過程[1]。其中Sox基因家族作為一類保守的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在水生動物性腺發(fā)育中起關(guān)鍵的作用[2]。Sox基因家族廣泛存在于無脊椎動物和脊椎動物之中，其產(chǎn)物包含一個具有DNA結(jié)合能力的高遷移率結(jié)構(gòu)域(high-mobility group box, HMG-box)。目前已鑒定得到的Sox基因家族成員有40多種，可分為A～K 11個亞族，被報道參與調(diào)控胚胎、性腺及神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，以及心臟、血管和骨骼的發(fā)生等多項(xiàng)生長發(fā)育過程[3]。本文對Sox基因家族的發(fā)現(xiàn)、鑒定及分類進(jìn)行了概述，并對其在水生動物性腺發(fā)育中的功能研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為更好地研究水生動物Sox基因家族調(diào)控方式和具體功能提供參考，為深入研究并進(jìn)一步完善水生動物的性腺發(fā)育調(diào)控機(jī)制提供基礎(chǔ)資料。

1 Sox基因家族的發(fā)現(xiàn)與鑒定

最早得到鑒定的Sox基因家族成員是SRY(Sry)基因即Y染色體上的性別決定基因，現(xiàn)已被確定為哺乳動物雄性性別決定的首要基因，對睪丸的正常發(fā)育有著決定性的影響[4-5]。它含有一個編碼79個氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)域，由于該區(qū)域與細(xì)胞核內(nèi)染色體中非組蛋白HMG同源，故稱為HMG-box結(jié)構(gòu)域[6]。它能夠識別和結(jié)合特異的順式作用元件，進(jìn)而調(diào)控靶基因的時空轉(zhuǎn)錄[7]。隨后，在其他轉(zhuǎn)錄因子中也發(fā)現(xiàn)了與SRY(Sry)基因的HMG-box高度同源的結(jié)構(gòu)域，因此統(tǒng)稱為SRYrelatedHMG-box(Sox)基因家族[8-9]。Sox基因家族是最直接調(diào)控早期胚胎、性腺和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的基因，同時也參與了毛發(fā)、心臟、血管及骨骼等多種組織器官的形成[10-11]。

早期研究通常以HMG-box區(qū)域的氨基酸序列與SRY(Sry)基因的相似性來鑒定新的Sox基因[12]。但隨著Sox基因家族成員的不斷增多，僅僅以氨基酸序列的同源性作為鑒定標(biāo)準(zhǔn)并不完善[3]。通過對所有已發(fā)現(xiàn)的Sox基因進(jìn)行全面比較和系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)其HMG-box結(jié)構(gòu)域中5～13位點(diǎn)的氨基酸殘基序列即RPMNAFMVW在每個物種中十分保守，除SRY(Sry)基因以外的Sox基因家族成員都存在這一核心基序，該序列可以作為鑒定Sox基因家族目前最合理的標(biāo)準(zhǔn)[6,13]。

2 Sox基因家族的分類與進(jìn)化

目前，根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同以及同一亞族內(nèi)不同Sox基因在其HMG-box區(qū)域的氨基酸序列相似性大于80%的原則，Sox基因家族可分為A～K共11個亞族。Bowles等[6]將Sox基因家族分為A～H共8個亞族。B亞族成員根據(jù)其氨基酸全長序列相似性和功能上的差別又可分為B1、B2兩組，隨著Sox基因的不斷增加，分別在非洲爪蟾(Xenopuslaevis)、秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegance)和青鳉(Oryziaslatipes)中發(fā)現(xiàn)Sox31、SoxJ、Sox32新成員，將其分別歸入I、J和K這3個亞族中[3]。每個亞族包括了一個到多個成員：除A(Sry)、G(Sox15)、H(Sox30)、I(Sox31)、J(SoxJ)和K(Sox32)亞族只包括一個成員外，其他亞族均有多個成員組成，如B亞族包括B1組的Sox1、Sox2、Sox3及B2組的Sox14和Sox21成員，E亞族包括Sox8、Sox9和Sox10成員[3,11]。

迄今在魚類、兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類中發(fā)現(xiàn)了至少40種Sox基因，并且其編碼氨基酸都含有保守性較高的HMG-box，這充分說明Sox基因家族成員在進(jìn)化上具有超強(qiáng)的保守性[14]。Sox基因不同亞族間的HMG-box區(qū)以及同一亞族HMG-box區(qū)外均具有保守性和同源性。同一亞族內(nèi)HMG-box區(qū)高度保守其相似性在80%以上，但不同亞族之間HMG-box相似性明顯的低于80%(大于46%)，并且在其他區(qū)域也幾乎沒有相似性[13]。同一亞族Sox基因在HMG-box區(qū)外也存在較大相似性：在一些亞族中，HMG-box相鄰兩側(cè)序列也是十分保守的，如B亞族成員在HMG-box區(qū)外C末端的8個氨基酸基序是非常保守的；而C，E亞族成員的保守區(qū)域則位于HMG-box區(qū)外的N末端；D亞族成員的保守區(qū)域包括位于HMG-box區(qū)域之外的亮氨酸拉鏈基序、谷氨酸豐富區(qū)域和螺旋-螺旋區(qū)域[3]。這種基序及結(jié)構(gòu)上的相似性表明，同族基因具有共同的進(jìn)化起源，Sox基因家族的功能在不同物種中也可能具有保守性[15]。

關(guān)于Sox基因的系統(tǒng)進(jìn)化，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，它們是由一個共同的祖先經(jīng)過重復(fù)、散布、突變等一系列作用而產(chǎn)生的，其中HMG結(jié)構(gòu)域序列在復(fù)制過程中，通過結(jié)合之前存在的功能域形成嵌合蛋白后而快速獲得了新的功能[3,13]。這種變化從某種程度上闡明了Sox基因不同亞族的起源，從而產(chǎn)生了今天所見到的Sox蛋白的分布狀況[15]。

3 Sox基因家族在水生動物性腺發(fā)育中的作用

3.1 魚類

哺乳動物原始的性腺具有雙向分化的潛能，因此其可以分化為精巢或者卵巢[16]。當(dāng)原始未分化的性腺出現(xiàn)后，與性別分化相關(guān)的一系列基因啟動轉(zhuǎn)錄，首先SRY(Sry)基因被激活，促進(jìn)了支持細(xì)胞的發(fā)育；而后，Sox9基因開始轉(zhuǎn)錄表達(dá)[17]。在SRY(Sry)、Sox9、Wt-1和Sf1等基因的共同調(diào)節(jié)下，抗繆勒氏管激素基因(Anti-Müllerianhormone,Amh)開始表達(dá)，使原始性腺朝著雄性睪丸方向發(fā)展[18]。與此同時，Dosage-sensitivesexreversaladrenalhypoplasiacongenital,criticalregionontheXchromosomegene-1(Dax-1)基因可以抑制Amh基因的表達(dá)，從而使原始性腺朝著雌性卵巢方向分化[19]。目前研究發(fā)現(xiàn)SRY(Sry)同源片段在魚類性別決定中沒有起到?jīng)Q定性作用，這可能是由于魚類性別決定機(jī)制的復(fù)雜多樣性所致[2]。在魚類中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)B1、B2、C、D、F、G、H和K等亞族成員，其中主要是E家族的Sox8、Sox9基因和B1家族的Sox3與魚類的性腺發(fā)育密切相關(guān)(表1)。

表1 Sox基因在調(diào)控魚類性腺發(fā)育中的作用研究匯總

3.1.1SoxE亞族基因

Sox8和Sox9基因在調(diào)控魚類的性腺發(fā)育中具有重疊功能，Sox8可以替代Sox9的部分功能。但二者中Sox9起主導(dǎo)作用，且其更傾向于魚類的雄性精巢發(fā)育[2]。大量研究表明Sox9基因在金錢魚(Scatophagusargus)[12]、牙鲆(Paralichthysolivaceus)[20]、圓斑星鰈(Veraspervariegatus)[21]、裸蓋魚(Anoplopomafimbria)[22]、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)[23]和斜帶石斑魚(Epinepheluscoioides)[24]等成體性腺中顯示出性別兩相性差異，在精巢中的表達(dá)量顯著高于卵巢。馬麗曼[25]在許氏平鲉(Sebastesschlegeli)中發(fā)現(xiàn)，Sox9基因在出生后25日齡(性腺分化時期)時的表達(dá)量達(dá)到較高的水平可能與仔魚性腺分化有關(guān)；而Ijiri等[26]發(fā)現(xiàn)Sox9基因僅在尼羅羅非魚精巢分化的后期特異性表達(dá)，可能參與精巢后期的發(fā)育過程。在斜帶石斑魚中，Xia等[27]通過免疫熒光定位發(fā)現(xiàn)Sox9基因僅存在于精巢的支持細(xì)胞中，暗示其可能參與了精子的發(fā)生過程；但在青鳉中，Yokoi等[28]通過Northern雜交和原位雜交分析卻發(fā)現(xiàn)Sox9基因僅在卵巢的卵母細(xì)胞中表達(dá)，表明其可能參與了卵子的發(fā)生過程，在性腺發(fā)育過程中具有不同的作用方式。

斑馬魚(Daniorerio)[29]、翹嘴鲌(Culteralburnus)[10]、牙鲆[30]等魚類的Sox9基因有兩個分型即Sox9a(Sox9a1)和Sox9b(Sox9a2)，且它們在性腺中的表達(dá)模式可能有所不同。Chiang等[29]發(fā)現(xiàn)，在成年斑馬魚中，Sox9a基因主要在精巢中表達(dá)，Sox9b基因只在卵巢中表達(dá)；但在四倍鯽鯉(Allotriploidcruciancarp)[31]、翹嘴鲌[10]和牙鲆[30]等中的Sox9a和Sox9b都只在精巢表達(dá)，而在卵巢不表達(dá)。此外，Dong等[32]在半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)中發(fā)現(xiàn)，Sox9a在雄性腦、垂體和精巢中顯著表達(dá)，在性腺分化時期表達(dá)量達(dá)到較高水平，且在原腸胚期的表達(dá)水平與其他時期具有顯著性差異，這表明其對其腦-垂體-性腺軸、性腺分化、胚胎的細(xì)胞分化起重要作用；而Nakamura等[33]研究發(fā)現(xiàn)Sox9b并不直接參與青鳉性腺的分化，在生腺細(xì)胞增殖和存活方面發(fā)揮著重要作用。

3.1.2SoxB亞族基因

Sox3基因?qū)儆贐1亞族成員，更傾向于魚類雌性卵巢的發(fā)育。張樂樂[21]通過性腺切片實(shí)驗(yàn)和熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)Sox3基因在性腺中的表達(dá)顯示出性別兩相性差異，其在卵巢中的表達(dá)量顯著高于精巢，而且在性腺分化時期表達(dá)量顯著上升，暗示其可能參與圓斑星鰈幼魚性腺分化過程。這與青鳉、許氏平鲉和斜帶石斑魚Sox3基因的研究結(jié)果相似，浦權(quán)[34]通過原位雜交發(fā)現(xiàn)青鳉Sox3基因存在于卵原細(xì)胞和早期卵細(xì)胞，以及后期卵細(xì)胞的顆粒細(xì)胞和膜細(xì)胞中；馬麗曼[25]利用原位雜交發(fā)現(xiàn)許氏平鲉Sox3基因主要定位在卵巢的卵母細(xì)胞和濾泡細(xì)胞中；Zhou等[35]在雌雄同體斜帶石斑魚中也發(fā)現(xiàn)其在卵子發(fā)生過程中起著非常重要的作用。而Shin等[36]的研究結(jié)果與他們不同，通過研究黑鯛(Acanthopagrusschlegelii)性逆轉(zhuǎn)過程中Sox3基因的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)其在成熟的精巢中表達(dá)量最高，在精巢發(fā)育中的作用可能強(qiáng)于卵巢。

此外，因Sox3與SRY(Sry)基因序列的相似性最高，Graves等[37]認(rèn)為Sox3基因是性別決定相關(guān)的關(guān)鍵基因，在XX/XY 型性別決定的生物中Sox3基因位于X染色體上。而Takehana等[38]卻發(fā)現(xiàn)了一個存在于Y染色體上的Sox3Y，其在青鳉的性別決定中發(fā)揮了重要的作用。Sox3Y在XX個體中過表達(dá)或者在XY個體中缺失都會導(dǎo)致性逆轉(zhuǎn)的發(fā)生，因此Sox3Y被認(rèn)為是青鳉的性別決定基因。這些研究結(jié)果表明Sox基因家族在魚類性腺發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用，但在不同物種中的作用不同，可能與魚類復(fù)雜多樣的性別決定機(jī)制有關(guān)。

3.2 甲殼動物

相對魚類而言，甲殼動物在進(jìn)化上更為低等，其性腺發(fā)育的遺傳機(jī)制尚不清楚。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，其性腺發(fā)育同樣受到B亞族和E家族Sox基因成員的調(diào)控(表2)。

表2 Sox基因在調(diào)控甲殼動物性腺發(fā)育中的作用研究匯總

E亞族成員與甲殼動物胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞的分化、生殖腺原基的形成、性腺早期分化和后期的成熟有關(guān)，如Hu等[39]在日本沼蝦(Macrobrachiumnipponense)中通過熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)，MnSoxE基因在原腸胚期的表達(dá)水平顯著高于其他時期，其表達(dá)量在生殖腺原基出現(xiàn)時期顯著上升，且在雌雄幼體可以被視覺區(qū)分時雄性中表達(dá)量顯著高于雌性，但在雌雄成熟性腺中并沒有顯著性差異。進(jìn)一步的原位雜交發(fā)現(xiàn)其主要位于卵母細(xì)胞和精母細(xì)胞中；而Wan等[40]在擬穴青蟹(Scyllaparamamosain)中發(fā)現(xiàn)Sox9基因也不特異于雄性或雌性成熟性腺中，通過熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)Sox9可能參與精子發(fā)生和早期卵巢發(fā)育。此外，周麗紅[41]在脊尾白蝦(Exopalaemoncarinicauda)中通過RNAi證實(shí)了Sox9可能與胰島素樣促雄腺激素基因(Insulin-likeandrogenicglandhormone,IAG)相互作用來參與精巢發(fā)育，敲除Sox9導(dǎo)致IAG轉(zhuǎn)錄水平顯著降低，而敲除IAG轉(zhuǎn)錄水平降低導(dǎo)致Sox9轉(zhuǎn)錄水平升高。IAG是一種重要的激素，主要由促雄腺分泌，雖然甲殼動物性別決定機(jī)制尚無定論，但普遍認(rèn)為其雄性性腺分化由IAG負(fù)責(zé)調(diào)控[42]。在擬穴青蟹中研究IAG和卵黃抑制激素基因(Vitellogenesis-inhibitinghormone,VIH)時，預(yù)測這兩個基因的上游調(diào)控區(qū)域中轉(zhuǎn)錄因子都含有Sox9和Sry等[43]。隨后Liao等[44]通過雙熒光素酶報告基因系統(tǒng)和RNAi等實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了Sox9可能通過與VIH基因的相互作用來調(diào)控?cái)M穴青蟹的卵巢發(fā)育等生理過程。

B亞族Sox基因在甲殼動物胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞的分化、卵巢發(fā)育過程中也發(fā)揮著重要作用，如亓海燕等[45]在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)中擴(kuò)增出一個只在性腺中特異表達(dá)的EsSox21b-like基因，其只在精巢、成熟的卵巢有表達(dá)，在成熟卵巢中的表達(dá)量高于精巢。這表明它可能參與調(diào)控性腺的發(fā)育過程，而它從卵巢成熟時開始有較弱表達(dá)，到排出的卵子中有較強(qiáng)表達(dá)的現(xiàn)象還說明它有可能參與早期胚胎的發(fā)育過程；這與梁可鎣等[9]在擬穴青蟹的研究中一致，通過實(shí)時定量PCR，發(fā)現(xiàn)同為B2亞族的Sox14基因在雌蟹卵巢中的表達(dá)量遠(yuǎn)高于其他組織，在性腺發(fā)育周期中其mRNA高表達(dá)于卵黃發(fā)生前期，暗示其參與卵巢的前期發(fā)育等生理過程的調(diào)控。而Liu等[46]又在中華絨螯蟹中克隆出一個在性腺中特異表達(dá)的B2亞族成員EsSoxB2-1基因，其蛋白主要在精巢中表達(dá)，甚至在頂體反應(yīng)結(jié)束時也僅定位于精子細(xì)胞和精子的細(xì)胞核中，并與成熟精子核質(zhì)中未濃縮的染色質(zhì)結(jié)合，進(jìn)一步通過RNA干擾發(fā)現(xiàn)敲除EsSoxB2-1基因會導(dǎo)致精子形成過程中細(xì)胞核的異常轉(zhuǎn)化，這表明EsSoxB2-1基因與精子細(xì)胞核成熟有關(guān)，可以作為調(diào)節(jié)早期胚胎發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子染色質(zhì)一起傳遞到受精卵中，暗示EsSoxB2-1基因可能參與調(diào)控精巢的成熟等過程。

3.3 軟體動物

B和E亞族Sox成員同樣參與軟體動物性腺發(fā)育過程的調(diào)控。研究表明E家族Sox9基因在性腺中顯示出性二態(tài)表達(dá)模式，且被認(rèn)為是雄性精巢發(fā)育的相關(guān)基因，如企鵝珍珠貝(Pteriapenguin)[47]和池蝶蚌(Hyriopsisschlegelii)[48]Sox9基因在雄性性腺中的表達(dá)量顯著高于雌性。但與他們研究不同的是，梁少帥等[49]在櫛孔扇貝(Chlamysfarreri)中通過原位雜交和免疫組織化學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Sox9并不特異于雄性或雌性性腺中，其在成熟性細(xì)胞中表達(dá)量較少，主要集中在精母與卵母細(xì)胞中，表明Sox9基因可能參與了性腺的后期發(fā)育過程。也有報道表明B家族的Sox2基因與雌性卵巢發(fā)育密切相關(guān)，如在三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)中該基因在雌雄性腺之間存在極顯著性差異，雌性性腺表達(dá)水平顯著高于雄性性腺[50]。

此外，在軟體動物的研究中，H亞族的SoxH基因HMG box與脊椎動物Sox30、SRY(Sry)同源性較高，鑒于Sox30和SRY(Sry)基因在脊椎動物中參與調(diào)控精巢的分化，推測其在軟體動物雄性性腺分化中也發(fā)揮著重要作用[51]。研究表明SoxH具有較強(qiáng)的組織特異性，且在雄性性腺中高表達(dá)，在蝦夷扇貝(Patinopectenyessoensis)中，Zhou等[52]認(rèn)為Dmrt1基因是調(diào)控蝦夷扇貝性腺分化的關(guān)鍵基因，它的表達(dá)會激活Sox30等基因，進(jìn)而調(diào)控Tbx4和Hsfp基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)精巢的分化。若Dmrt1基因關(guān)閉，則Cyp1a4、Foxa2和0vo等基因激活轉(zhuǎn)錄，刺激Vg、Fuc-t的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控卵巢的分化。而在太平洋牡蠣(Crassostreagigas)中，SoxH基因能夠直接或間接地與促進(jìn)雄性性腺發(fā)育的Dsx基因相互作用，SoxH基因的表達(dá)會激活Dsx基因而導(dǎo)致雄性性腺的分化；而在某些雄性中，F(xiàn)oxl2異常高表達(dá)，SoxH和Dsx低表達(dá)會導(dǎo)致由雄性逆轉(zhuǎn)為雌性[53]。

表3 Sox基因在調(diào)控軟體動物性腺發(fā)育中的作用研究匯總

3.4 扁形動物和腔腸動物

在扁形動物中，已發(fā)現(xiàn)的Sox基因很少，大多都是參與再生過程中神經(jīng)系統(tǒng)的形成。如在日本三角渦蟲(Dugesiajaponica)克隆的SoxB基因，在再生過程中參與了干細(xì)胞增殖、組織分化及極性的構(gòu)建，特別是在再生早期起重要作用[6]。因而，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證Sox基因能否調(diào)控性腺的發(fā)育。在腔腸動物中，暫未發(fā)現(xiàn)Sox基因的報道。

4 展望

綜述Sox基因家族在魚類、甲殼動物和軟體動物等水生生物性腺發(fā)育調(diào)控中的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)SoxE亞族和SoxB亞族基因在水生動物性腺發(fā)育中具有保守作用，廣泛參與原始性腺的形成、性腺的分化、配子發(fā)生和性腺成熟等生理過程。但目前，水生動物Sox基因家族的研究還主要以分析其組織分布特點(diǎn)和表達(dá)譜系模式為主，其具體的生理功能和作用機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究，這將有助于我們進(jìn)一步理解Sox9等基因在不同物種中功能上的差異性以及Sox基因家族的功能進(jìn)化過程。此外，作為一類保守的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，Sox基因家族成員之間是否存在相互的調(diào)控關(guān)系在水生動物相關(guān)研究中很少被提及，全面深入地功能研究對揭示基于Sox基因家族的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也具有重要意義。