全球變暖正在悄然改變自然界一些動物的性別比例. 在澳大利亞北部, 綠海龜孵化沙灘的溫度持續(xù)升高, 導(dǎo)致孵化出的幼龜中99%為雌性[1]. 隨著雄性數(shù)量銳減, 這一物種正走向“性別失衡”的生態(tài)死角, 繁衍能力遭遇嚴(yán)峻挑戰(zhàn). 龜類作為典型的溫度依賴型性別決定(temperature-dependent sex determination, TSD)物種, 其胚胎性腺如同精密溫度感受器——但溫度如何轉(zhuǎn)化為性別指令?

早期關(guān)于TSD的研究推測, 溫度感知可能由大腦或性腺旁組織負(fù)責(zé), 并通過腦-垂體-性腺軸或旁分泌途徑調(diào)控性腺分化[2~4]. 然而, 后續(xù)的體外培養(yǎng)實驗表明, 性腺本身具備感知溫度變化并據(jù)此決定分化方向的能力[5]. 基于此, 當(dāng)前研究聚焦于胚胎發(fā)育期原始性腺的溫度敏感機制. 那么性腺里是誰在充當(dāng)這個“溫度感受器”呢? 以典型的TSD物種紅耳龜(Trachemys scripta)為模型——其在26°C孵化時后代全為雄性, 32°C時全為雌性——本課題組近期發(fā)表于Science Bulletin的兩項研究[6,7], 通過離體細(xì)胞篩選和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序, 在胚胎發(fā)育早期的性腺中找到了一群特殊的細(xì)胞, 稱之為“溫敏類固醇生成細(xì)胞”(thermosensitive steroidogenic cells, TSSCs). 如圖1所示, TSSCs表面裝備著溫度敏感鉀離子通道KCNK3(potassium two pore domain channel subfamily K member 3). 這類通道就像是細(xì)胞膜上的“管家通道”, 在正常生理狀態(tài)下負(fù)責(zé)讓鉀離子外流, 維持細(xì)胞膜電位的穩(wěn)定. 當(dāng)溫度降至雄性發(fā)育所需的閾值(如26°C)時, KCNK3通道功能被抑制. 鉀離子無法順暢外流而在細(xì)胞內(nèi)積聚, 導(dǎo)致膜電位去極化. 這種電位變化激活了電壓敏感型鈣離子通道, 促使關(guān)鍵的第二信使鈣離子(Ca2+)大量內(nèi)流. 由此, 物理的溫度信號通過離子通道的級聯(lián)反應(yīng), 被精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的鈣離子生物信號.

圖1 雄性性別決定分子機制示意圖

關(guān)鍵的鈣離子信號激活后, 驅(qū)動TSSCs合成了醛固酮(aldosterone)而非傳統(tǒng)認(rèn)為主導(dǎo)性別分化的性激素(如睪酮或雌激素), 這是一個意外發(fā)現(xiàn). 單細(xì)胞RNA測序結(jié)果顯示, TSSCs細(xì)胞高表達(dá)合成醛固酮所需的關(guān)鍵酶, 卻幾乎不表達(dá)制造經(jīng)典性激素的關(guān)鍵酶. 這暗示了龜類演化出了一條獨特的類固醇激素合成路徑. 酶聯(lián)免疫吸附試驗進(jìn)一步證實: 在低溫(雄性誘導(dǎo)環(huán)境)下, 胚胎性腺中的醛固酮濃度顯著升高, 而睪酮、雌二醇等傳統(tǒng)性激素的水平則沒有顯著變化. 為了驗證鈣信號的核心作用, 本課題組進(jìn)行了關(guān)鍵的藥理學(xué)干預(yù): 使用鈣通道阻滯劑伊拉地平(isradipine)阻斷鈣離子內(nèi)流, 成功抑制了醛固酮的合成; 使用鉀通道激動劑花椒堿(sanshool)在較高溫度下模擬低溫效應(yīng)(即抑制鉀通道功能), 同樣能誘導(dǎo)醛固酮分泌增加. 這些實驗直接證實鉀離子通道和鈣離子通道構(gòu)成的級聯(lián)反應(yīng), 是精準(zhǔn)調(diào)控醛固酮合成的關(guān)鍵分子開關(guān). 那么, 醛固酮又是如何啟動雄性發(fā)育的呢? 已知DMRT1(doublesex-mab3-related transcription factor 1)基因是啟動睪丸發(fā)育、決定雄性命運的核心調(diào)控基因. 研究發(fā)現(xiàn)醛固酮與其受體NR3C1(nuclear receptor subfamily 3, group C, member 1)結(jié)合形成的復(fù)合體, 能夠直接激活DMRT1基因的表達(dá)(圖1), 從而啟動整個雄性發(fā)育程序. 值得注意的是, 龜類的NR3C1受體對醛固酮表現(xiàn)出特異性響應(yīng), 這突破了哺乳動物中該受體主要結(jié)合糖皮質(zhì)激素的傳統(tǒng)認(rèn)知. 這種特異性可能根植于脊椎動物類固醇系統(tǒng)的演化歷程: 哺乳動物的腎上腺與性腺雖然在成體分離, 但在胚胎期共同起源于腎上腺-性腺原基(adrenogonadal primordium, AGP), 提示二者早期發(fā)育中可能共享了類固醇調(diào)控通路[8]. 此外, 在部分硬骨魚類中, 腎上腺皮質(zhì)激素具有保守的性別調(diào)控潛能, 可誘導(dǎo)雌性向雄性的性別逆轉(zhuǎn)[9]. 隨著脊椎動物從水生向陸生演化, 腎臟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變(前腎轉(zhuǎn)變?yōu)楹竽I)促使腎上腺與腎臟分離并特化. 在此背景下, 龜類TSD機制中由醛固酮主導(dǎo)的性別決定途徑, 可能是陸生適應(yīng)過程中類固醇信號通路功能分化的結(jié)果.

盡管這些分子關(guān)系錯綜復(fù)雜, 但研究團(tuán)隊通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞C實了這條通路的存在與功能. 在產(chǎn)出1:1性比的28°C條件下, 激活TSSCs鈣信號(模擬低溫), 結(jié)果雄性比例大大增加. 同樣在28°C, 直接添加外源醛固酮, 也能顯著提高雄性比例. 在產(chǎn)全雄的26°C低溫條件下, 阻斷醛固酮的合成或者阻斷NR3C1受體, 就能成功誘導(dǎo)相當(dāng)一部分胚胎發(fā)育成雌性. 這些強有力的干預(yù)實驗證明, 這條“溫度→離子通道→鈣信號→醛固酮→NR3C1受體→DMRT1基因→雄性”的通路, 確實是溫度決定龜類性別的核心機制.

這項研究首次完整解析了溫度依賴型性別決定的分子通路, 從性腺內(nèi)特化的“溫度計”細(xì)胞(TSSCs)感知環(huán)境變化, 到離子通道將物理信號轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號(Ca2+), 進(jìn)而驅(qū)動非經(jīng)典性激素醛固酮的合成, 最終通過特異性受體激活雄性決定基因DMRT1. 我們的工作闡明了TSD的一個核心分子機制.

參考文獻(xiàn)

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[7] Ye Y Z, Li J, Li W, et al. Transcriptional control of male-specific pathway in temperature-dependent sex determination. Sci Bull , 2025

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