第二节
性别决定与胎儿生殖系统发育

一、原始生殖细胞的特化与定向迁移

哺乳动物的性腺是由生殖细胞和体细胞共同组成的。生殖细胞的前体细胞是原始生殖细胞（primordial germ cells），它们是在个体发育的早期由上胚层细胞特化形成的。小鼠的原始生殖细胞在胚胎期第6日左右靠近胚外外胚层的上胚层中形成。人胚胎的原始生殖细胞是在胚胎第16日左右形成。最初形成的原始生殖细胞只有几十个，它们比周围的细胞体积大，而且碱性磷酸酶为阳性（Gomperts et al.，1994）。

在模式动物的研究中发现，原始生殖细胞特化过程中，胚外外胚层细胞分泌的骨形态发生蛋白质（bone morphogenetic protein，BMP）是重要的外源诱导因子。 Bmp4 基因敲除的小鼠中，生殖细胞不能形成。随后的研究证明， Bmp2 和 Bmp8b 基因在原始生殖细胞特化过程中也发挥重要作用（Ying et al.，2001）。敲除这些基因，原始生殖细胞的特化会受到明显影响，且数量减少（Ying et al.，2000）。Blimp1是一个核转录因子，它是原始生殖细胞形成过程中的一个重要的内源因子，缺失 Blimp1 这个基因，则不能形成原始生殖细胞（Ohinata et al.，2015）。原始生殖细胞具有典型的干细胞特征，高表达 Oct4 、 Sox2 、 Nanog 等多能性基因。近年来的研究表明，人的原始生殖细胞特异表达 SOX17 ，该基因在人原始生殖细胞特化过程中发挥重要作用（Irie et al.，2015）。

性腺中的体细胞来源于生殖嵴（genital ridge），生殖嵴是由中胚层发育形成，位于体腔的背侧。因此，原始生殖细胞形成以后要经过长距离的定向迁移才能到达生殖嵴，与生殖嵴体细胞共同发育为性腺。人胚胎在受精后第4周左右，原始生殖细胞出现在靠近卵黄囊壁的内胚层中，呈圆形，体积较大，嗜碱性。它们从这里开始以阿米巴运动，沿背肠系膜向生殖嵴所在的部位迁移。胚胎第6周时，约有1 000个原始生殖细胞进入生殖嵴。原始生殖细胞在迁移过程中，一直保持快速增殖的状态，数目快速增加，到性别分化时约有25 000个（Ginsburg et al.，1990）。

原始生殖细胞定向迁移到生殖嵴的过程的调控机制目前尚无明确结论。但是多项研究表明，许多生长因子参与了这一过程，如干细胞因子（stem cell factor，SCF）、白血病抑制因子（leukem ia inhibitory factor，LIF）、肿瘤坏死因子 α（tumor necrosis factorα，TNFα）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、白介素 4（interleukin-4，IL-4）和转化生长因子 β（transforming growth factorβ，TGFβ）等。这些生长因子是由原始生殖细胞迁移路径周围的体细胞所产生，它们不仅可以促进原始生殖细胞的增殖，而且对原始生殖细胞的分化有调节作用。此外，原始生殖细胞在向生殖嵴的迁移过程中，也受到正在发育的生殖腺产生的一些物质吸引，主要指一些趋化因子及其受体，它们可能形成浓度梯度，从而诱导原始生殖细胞的定向迁移。

二、性别决定

性别分化是生物界最普遍的一种现象。人类在几千年前就开始关注性别分化的现象。但是直到1900年孟德尔定律被发现，人们才逐渐认识到哺乳动物个体性别是由其染色体组成决定的。人类有23对染色体（2n=46），其中22对为常染色体，1对为性染色体，即女性的染色体为44+XX；男性的染色体为44+XY，属于XY型性别决定。X染色体和Y染色体在形态上有很大差异，Y染色体很小，只有X染色体的1/3左右，而且编码的基因也非常有限。雄性个体是异配子性别（heterogametic sex），可产生含有X染色体或Y染色体的两种雄配子，而雌性个体是同配子性别（homogameticsex），只产生含有X染色体的一种配子。受精时，X染色体与X染色体结合为XX，发育成雌性；X染色体与Y染色体结合为XY，发育成雄性，性比为 1∶1。

自从1959年发现Y染色体与雄性性别决定有关之后，人们一直在寻找和分离决定性别的基因，并推测Y染色体上可能存在指导睾丸分化的基因，这种基因在人类被命名为睾丸决定因子（testis-determiningfactor，TDF）。1990 年，Sinclair等利用染色体步移法，在Y染色体短臂上找到了一个足以引起雄性化的更小区段。根据它在染色体上的位置，将其命名为Y-染色体性别决定区（sex-determining region of Y chromosome），即 SRY 基因（Eggers et al.，2014）。同年，在小鼠中也发现了类似的同源序列，称为 Sry 基因。PeterKoopman利用转基因的方法证明含有 Sry 基因的14kbY染色体片段能够使XX小鼠发育为雄性，实现了雌性小鼠向雄性的性逆转。此外，当Y染色体上缺失包括 Sry 基因在内的长11kb的片段时，XY小鼠表型为雌性，并具有正常的繁殖能力。这些研究表明， Sry 基因是哺乳动物性别决定的主控基因，它决定了雄性的发育方向（Koopman，1995）。

人的 SRY 基因则位于距假常染色体区界35kb的区段内，两侧无倒置重复序列。由于人的 SRY 基因紧靠X染色体和Y染色体发生配对与交换的假常染色体配对区，因此人比小鼠更易发生由于染色体的异常互换而造成的性逆转现象。 SRY 基因无内含子结构，转录单位全长约11kb，编码一个有204个氨基酸的蛋白。其中高移动性DNA结合区编码79个氨基酸。不同动物的高移动性DNA结合区具有很高的同源性，但其他区域的氨基酸序列没有同源性。

哺乳动物的性腺由生殖嵴发育形成。原始生殖细胞定向迁移到达生殖嵴后，生殖嵴在发育过程中有两种选择，在不同的性染色体构成的情况下，既可以发育为卵巢（ovary），也可以发育为睾丸（testis）。人类胚胎的生殖嵴在妊娠第5周左右形成，位于胚胎背壁中线两侧，即背肠系膜的两侧。生殖嵴形成过程中与中肾相连，其外侧分化为中肾，内侧部分的间质不断增殖，向腹膜腔突出，形成两条生殖嵴，也称性腺原基。胚胎第6周末，男性和女性的生殖系统在外形上仍无差别，但是在细胞和分子水平的微小差异可能已经产生。从第7周开始，男性和女性的生殖系统在外形上开始出现分化。在哺乳动物中，性别决定是由未分化性腺中体细胞的分化决定的。

在性别决定过程中，XY个体的性腺体细胞开始表达 SRY 基因，在 SRY 基因的作用下开始表达 SOX9 基因，体细胞分化成支持细胞（sertolicells）。 SRY 基因的表达是暂时的，性别决定完成后停止表达，人类胚胎在妊娠41~44日的生殖嵴中检测到 SRY 表达，44日时达到峰值，直到妊娠18周的睾丸索中仍可检测到。而 SOX9 基因持续表达，直到成年，睾丸一直表达。支持细胞形成后就会快速聚集，形成管状结构，并包裹生殖细胞，形成睾丸索或精索结构（Koopman，1995）。在青春期，这些与生殖细胞相连的睾丸索变得空心化，分化形成生精小管（seminiferous tubules）结构。雌性个体中没有 SRY 基因，未分化性腺中的体细胞就分化为卵巢的颗粒细胞，从而表达颗粒细胞特异基因 FOXL2 （Sinclair et al.，2009）。分化的颗粒细胞与生殖细胞形成卵泡结构，从而未分化性腺发育为卵巢。

以前的研究一直认为雄性性别决定是一个主动的过程，而雌性的发育是一个被动的过程。但是越来越多的研究比表明，同样也存在雌性性别决定基因。Wnt/β-catenin信号通路在卵巢发育过程中有重要作用。 Wnt4 基因敲除的雌性小鼠表现为卵巢发育缺陷，同时出现附睾和输精管等结构，表现为部分雌性向雄性性别逆转。如果同时敲除 Wnt4 和 Foxl2 基因，雌性向雄性性别逆转的现象更为明显，出现了睾丸索样的结构，同时表达雄性特异基因 Sox9 和 Amh 。另外，在雄性小鼠生殖嵴体细胞中激活β-catenin会导致小鼠的性腺发育为卵巢样结构，性腺体细胞表达雌性特异的基因 Foxl2 ，同时出现子宫和输卵管等雌性生殖系统的结构（Maatouk，2008）。

R-spondin 1 是在临床遗传筛查过程中发现的一个雌性性别决定基因。通过对发生性别逆转的XX男性患者进行遗传筛查时发现， R-spondin 1 基因突变是致病原因。进一步利用基因敲除的小鼠模型证实， R-spondin 1 敲除的XX小鼠性腺中出现睾丸索的结构，同时出现输精管和储精囊等雄性生殖系统的结构（Tomizuka et al.，2008）。如图 1-2-1所示。

在性别决定过程中，除了睾丸支持细胞和卵巢颗粒细胞外，还会产生另外一类体细胞，称为激素合成细胞，分别为睾丸中的间质细胞（leydig cell）和卵巢的膜间质细胞（theca-interstitium）。这类细胞的主要功能是合成雄激素和雌激素，它们是生殖细胞的发育和第二性征维持所必需的。这类细胞在性腺发育过程中是如何分化的，目前还存在争议。最新的研究表明，支持类体细胞与激素合成类细胞可能来源于共同的前体细胞，它们之间的分化受 WT1 基因调控。当 WT1 基因存在时，在性别决定基因的作用下发育为睾丸支持细胞和卵巢颗粒细胞，从而完成性别分化过程；如果缺失 WT1 基因，未分化的前体细胞就发育为激素合成细胞，无法完成性别分化过程（Chen et al.，2017）。

三、附属生殖器官的发育调控

在哺乳动物的性别分化过程中，除了形成睾丸和卵巢，同时会形成与性别相关的一些附属结构，如子宫、输卵管、附睾、输精管等。哺乳动物胚胎发育过程中会形成中肾的结构，但是它没有肾脏的泌尿功能，而是在胚胎发育的后期退化。伴随中肾的发育，出现两套管状结构，分别为米勒管（Müllerian duct）和沃尔夫管（Wolffian duct）（Ilias et al.，2002）。但是在性别分化完成后，不同性别的个体只保留了其中一种结构，另外一种退化（图1-2-2）。在雄性个体中，性别分化完成后形成的睾丸支持细胞分泌抗米勒管激素（anti-Müllerian hormone，AMH），AMH通过与诱导米勒管上皮的特异受体结合后诱导其退化。同时，胚胎期睾丸间质细胞合成的少量雄激素能够诱导沃尔夫管进一步发育为附睾、输精管和储精囊等结构。在雌性个体中，性腺的体细胞分化为颗粒细胞，它们不能合成AMH，因此米勒管不会发生退化（Hattori et al.，2012）。米勒管进一步发育为输卵管、子宫、子宫颈及阴道上部。此外，由于胚胎期的卵巢不能合成AMH，因此，沃尔夫管不能进一步发育，从而在发育后期发生退化（Behringer et al.，1994）。

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