孕期缺铁导致小鼠胎儿性别逆转——表观遗传对性别决定的神奇影响

在胚胎发育过程中，性别决定是一个令人着迷的现象，在生命科学尚不发达的年代，人们尝试通过体液、阴阳等理论解释性别的形成，虽然这些说法在当今看来并无科学依据，但其仍然体现出人类对于性别的好奇。而如今我们知道动物的性别是由性染色体决定的，在哺乳动物中，XX发育为雌性，XY发育为雄性。这种染色体型对应于性别表型的认识一直以来被视为正确且合理的理论，然而最近日本大阪大学与澳大利亚昆士兰大学合作完成的一项研究表明性别决定并不只是染色体这么简单，而涉及到复杂的表观遗传调控。

Sry基因与性别决定

生物个体几乎所有的生命现象，归根结底都是基因表达的结果，性别决定亦是如此，其分子机制涉及一系列精密且复杂的调控过程，核心便是Sry基因的表达。虽然性染色体在受精卵结合时就已经确定，然而在胚胎发育刚开始的一段时间内，生物体还有着分化成两种性别的可能(对于人类而言，这个时间是六周)，因为此时性腺还未分化，被称为性双潜能性腺。Sry基因分布在Y染色体上，在小鼠中，Sry的表达受到严格的调控，其仅在性腺体细胞亚群中表达，并且只在胚胎发育的10.5-12.5天内激活，Sry与NR5A1的协同作用会促进SOX9表达上调，随后SOX9又与SF1及WT1协同作用激活AMH激素的表达，抑制雌性生殖系统发育，在SOX3、SOX10等基因的作用下，未分化的生殖器官分化为睾丸，睾丸分泌睾酮，进一步促进雄性性征的形成。而如若Sry基因不表达，则为性双潜能性腺“默认”发育为卵巢

图1 XY型性别决定

铁营养与性别决定

就染色体而言，胚胎的性别似乎完全由父亲产生的精子决定，但是近日日本大阪大学与澳大利亚昆士兰大学的研究者揭示了影响胚胎性别的另一重要因素——母体铁营养状况，如果母体怀孕时严重缺铁，则有可能使性染色体为XY的胚胎发育出卵巢，甚至出现同时拥有睾丸和卵巢的个体。

图2 小鼠性腺性别决定中铁代谢与KDM3A的功能偶联

铁代谢与哺乳动物的性别决定

哺乳动物的性别决定依赖于Sry基因在胚胎E10.5-E12.5时期的短暂表达，然而Sry基因是高度甲基化的(组蛋白H3的第9位赖氨酸二甲基化，即H3K9me2)，其表达的前提是甲基的去除，雄性性腺中的前塞尔托利细胞高表达铁摄入基因、Fe²⁺生成生成基因并抑制铁排泄基因的表达，在细胞内积累Fe²⁺为去甲基化酶KDM3A的活性提供条件。mRNA分析、

TFR1增强了Sry基因去甲基化

为了进一步了解铁代谢与性别决定的关系，研究人员将目光放在了Tfrc基因上，该基因编码转铁蛋白受体TFR1，该受体是铁进入细胞的重要门户，可将转铁蛋白-铁复合物运输进细胞内，为细胞提供Fe²⁺。研究人员通过使小鼠性腺Tfrc基因缺失构建了铁代谢缺陷型小鼠，并发现相比正常小鼠，铁代谢缺陷型小鼠性腺体细胞数量没有减少，但细胞内的不稳定铁含量、总铁含量以及铁蛋白含量均显著下降，同时H3K9me2水平上升近两倍，表明TFR1耗竭损害了性腺体细胞中H3K9的去甲基化，但不影响性腺体细胞的生长潜力。这进一步印证了先前的研究，KDM3A的活性依赖于Fe²⁺，当细胞内铁含量不足时，细胞的去甲基化会遭受损害。铁代谢缺陷小鼠在微观层面的变化在其表型上的表现体现在性别的逆转：39只铁代谢缺陷小鼠中，有六只性染色体为XY的小鼠出现了雄性到雌性的逆转，有一只同时具有睾丸和卵巢，而所有的XX小鼠都正常发育成雌性。

图3 不同类型小鼠的性腺发育(Te:睾丸，Ov:卵巢)

低铁水平损害了体外性腺的Sry基因表达

研究人员为了更清晰的解释铁在Sry基因表达中的作用，构建了体外性腺培养系统，通过人为添加铁螯合剂DFO制造铁缺乏环境，结果发现DFO并不影响性腺体细胞生长，但是DFO处理后的细胞中铁水平与铁蛋白含量显著下降，并且Sry和Sox9(睾丸标志基因)的表达显著下降。另外DFO处理上调了铁掺入基因Tfrc与Fe²⁺生成基因Homx1的表达，暗示细胞对铁缺乏环境的适应。

母体缺铁导致胎儿性别逆转

接下来研究人员为了研究母体缺铁对胎儿的影响，在性别决定期前后通过药物诱导母体缺铁，然后检查子宫内的胚胎发现胎儿表现出典型的贫血症状，并且铁蛋白含量显著降低，而在给药母鼠所生的72只小鼠中，有4只出现雄性到雌性的性别逆转，1只含有一个睾丸和一个卵巢，这表明了母体缺铁会导致一部分野生型后代的性别逆转。对胚胎进行进一步分析，发现其性腺体细胞数量并未减少，而XY胚胎的Sry基因表达却降低到了对照组的60%，并且发生了和体外性腺一样的铁掺入基因与Fe²⁺生成基因上调。DFX处理的母鼠携带的XY胚胎中的性腺具有典型卵睾丸，同时含有Foxl2+(卵巢决定基因)细胞和Sox9+(睾丸决定基因)细胞，其中Foxl2+细胞比例为20%，而在恢复了Sry基因表达后，处理组Foxl2+细胞比例降低至和对照组一样的水平，证明了DFX处理母体中发生的胎儿性别逆转是Sry基因表达受到抑制产生的。为了验证这一模型在温和铁缺乏中的有效性，研究人员在六周内给雌性小鼠喂食缺铁性饮食，母鼠虽然表现出贫血，但其后代并未发生性别逆转，显示出铁缺乏具有一定缓冲性。随后研究人员引入KDM3A杂合突变小鼠，其在正常条件下表型正常，然而在铁缺乏条件下对铁含量更敏感，结果在铁缺乏饮食组的43只杂合突变子代中有2只发生性别逆转，正常饮食组中则没有发生。以上一系列结果表明母体缺铁损害了KDM3A的去甲基化活性，进而抑制Sry基因表达，导致胚胎的性别逆转。

图5 药物诱导铁缺乏母鼠的胚胎发育

图6 饮食诱导铁缺乏母鼠的胚胎发育

讨论

这项关于母体铁营养与胎儿性别的研究拓宽了学界对于性别决定的认识，使人们意识到性别不只由染色体型决定，还涉及营养状况与表观遗传调控。不过该现象只在小鼠中得到了证实，而在其他哺乳动物乃至人类中如何尚未可知，但其仍然提示孕期营养管理的重要性。然而关于这项研究中所提到的性别逆转，有的观点认为这仅仅是性器官发育异常，而实际上小鼠的性别依然是雄性，性别并没有发生改变，即只要染色体是XY，那么无论小鼠性状如何，其性别一定是雄性，不存在所谓性别转换。在这里，笔者的观点是：性别逆转是确实发生的，在这项研究中发育出卵巢的XY小鼠应当是雌性。因为基因仅仅只是生物性状的蓝图，其表达是受到许多因素调控的，而在传统观点中，XY表现为雄性的实质是Y染色体上的Sry基因表达，而当Sry基因受到表观遗传调控不再表达时，XY等于雄性这一结论自然不成立了。举个例子，设想一个人，他的染色体上携带了黑色瞳孔的基因，而由于表观遗传，他出生后表现出蓝色瞳孔，那么他的瞳色性状应该是蓝色还是黑色？很明显是蓝色(人类的瞳色调控机制是很复杂的，涉及多个基因，这个例子仅仅是为了说明基因与性状的关系)，同样的，发育出卵巢的XY小鼠是雄性还是雌性，答案便呼之欲出了。