Cell子刊：研究破解两百年疑案

　　

生物通报道：历经两百年，科学家们终于鉴定了决定蜜蜂性别的分子开关，解析了这一开关的演化机制。

十九世纪中期，Johann Dzierson首次对蜜蜂的性别决定机制进行了分析，指出雄性蜜蜂是单倍体（只拥有一套染色体）。随着显微镜的问世，这一点在二十世纪得到了证实。人们通过显微镜看到，生成雄蜂的卵没有受精。然而，人们还并不了解，蜜蜂性别决定系统的分子机制，这一直是发育遗传学中最重要的问题之一。

Current Biology杂志十二月发表的一项研究，解决了上述问题。研究人员对76种基因型的蜜蜂进行研究，分析了其csd基因（互补性别决定开关）的14个天然序列突变。

这篇文章的作者Martin Beye和Robert E. Page教授，曾在2003年确定了决定蜜蜂性别的关键基因csd。研究显示，杂合子基因型的csd基因决定雌性，半合子（hemizygous）基因型决定雄性，纯合子基因型致死。随后，他们通过敲除等位基因，使双倍体基因型生成了雄性蜜蜂。当时Cell杂志将其作为封面文章刊发。

蜜蜂是理想的研究对象，因为它们有一个决定性别的基因座。研究人员已经鉴定了该基因座附近的遗传学标志，以便进行作图。此外，蜜蜂有性繁殖时的遗传重组率很高，有助于分离、测序和鉴定决定性别的基因座。研究人员指出，在性别决定基因中，肯定存在一些决定性的片段。

这项新研究显示，两个csd等位基因之间，至少需要五个氨基酸的差异，才能影响性别的形成，这就是决定蜜蜂性别的分子开关。

“我们发现，特定区域中的精氨酸、丝氨酸和脯氨酸含量会影响csd基因上的蛋白结合位点，在此基础上形成不同的构象，影响基因的功能。这些改变决定着蜜蜂的性别，”亚利桑那州立大学的Page教授说。

此外，研究人员还在蜜蜂中发现了，性别决定开关演化的天然中间产物，其中的三个氨基酸决定着致死还是诱导生成雌性。研究指出，果蝇的性别决定开关，通过不完全外显机制，逐步适应和演化。

 

（生物通推荐原文摘要：）

Gradual Molecular Evolution of a Sex Determination Switch through Incomplete Penetrance of Femaleness

Some genes regulate phenotypes that are either present or absent. They are often important regulators of developmental switches and are involved in morphological evolution. We have little understanding of the molecular mechanisms by which these absence/presence gene functions have evolved, because the phenotype and fitness of molecular intermediate forms are unknown. Here, we studied the sex-determining switch of 14 natural sequence variants of the csd gene among 76 genotypes of the honeybee (Apis mellifera). Heterozygous genotypes (different specificities) of the csd gene determine femaleness, while hemizygous genotypes (single specificity) determine maleness. Homozygous genotypes of the csd gene (same specificity) are lethal [1,2,3,4,5,6]. We found that at least five amino acid differences and length variation between Csd specificities in the specifying domain (PSD) were sufficient to regularly induce femaleness. We estimated that, on average, six pairwise amino acid differences evolved under positive selection [7,8,9]. We also identified a natural evolutionary intermediate that showed only three amino acid length differences in the PSD relative to its parental allele. This genotype showed an intermediate fitness because it implemented lethality regularly and induced femaleness infrequently (i.e., incomplete penetrance). We suggest incomplete penetrance as a mechanism through which new molecular switches can gradually and adaptively evolve.