有Y染色体也能变女生:3种DNA“暗物质”可逆转胎儿性别

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图片来源：UNIVERSITY OF ROCHESTER MEDICAL CENTER

撰文丨杨心舟

正常人的体细胞包含46条染色体，从1902年麦克朗发现性染色体以来，科学界就认为性染色体负责决定个体的性别。他们将这两个不对称染色体中较大的称作X染色体，小的称作Y染色体。有两条X染色体的胚胎就会发育成女孩，而X-Y染色体组合的则会发育成男孩。Y染色体在其中起到的关键作用就是能够促进男性性腺的发育。

性腺形成是胚胎发育过程中的重要一环，这一过程会受到体内基因与表观遗传的精密调控。性腺的发育方向包括睾丸和卵巢，拥有何种性腺就决定着胚胎的性别。但是有一类性发育异常（DSD）患者却并不遵循这一规则，最常见的症状就是先天性肾上腺皮质增生（CAH），这些患者拥有两条X染色体，但是新生儿却可能同时拥有男女性特征。另外一种就是雄激素不敏感综合征（AIS），这些人有Y染色体，但是却展现出女性的外表，很多到青春期才发现自己从基因组上来说不是女生。

这些人拥有Y染色体，却表现出女性特征。在性发育异常中被归类为雄性激素不敏感综合征（AIS）。图片来源：soc.ucsb.edu

没有Y染色体的女性可以长出雄性特征的睾丸，有Y染色体的男性却出现睾丸发育障碍，甚至发育出卵巢。究竟哪些基因在控制着性发育过程呢？

最早从上世纪60年代，科学界就开始围绕“男子汉”基因展开了研究，试图从基因层面揭开男生不同于女生的原因。1990年，来自澳大利亚的Grave和英国的Badge确定了Y染色体上决定性别的基因——SRY基因，其对男性个体有重要作用。 SRY全称为sex-determining region Y ，也被称作睾丸决定因子。包括人类在内的大多数哺乳动物，睾丸的发育会受到Y染色体上的SRY基因控制。其编码的蛋白具有DNA结合能力，通常与SOX基因家族起结合作用，并调节相关SOX基因的表达。其最经典的结合对象就是SOX9基因——一种调控睾丸发育的最重要基因。除了促进男性特征性腺的发育，SRY也会阻止女性性腺的形成，SRY或者SOX9的突变，都会造成性发育异常的病症出现。

虽然女性没有Y染色体，但无论男女都会表达SOX9基因。即使染色体组没有问题，SOX9表达水平不稳定，男女都会出现性发育异常。常见的就是46XX（染色体组正常的女性）因为SOX9表达过高发育出男性性腺，或者46XY（染色体组正常的男性）因为SOX9表达过低，导致睾丸发育异常，因此缺乏睾酮从而显现出女性特征。这两个基因可以一定程度上解释性发育异常出现的原因，但并不是全部。

SOX9蛋白结构。图片来源：Wikipedia

近些年来的研究已经揭示，除了SRY，SOX9基因的表达通常还会受到一些调控元件的影响，这是一类被称作增强子的DNA区域，它们可以极大地提高对应基因的表达量，但是由于本身并不位于编码基因区域很容易被忽略。有些增强子甚至可以在SOX9上游转录起始的位置就开始对其影响。该研究的作者Andrew Sinclair表示，人类只有10%的DNA序列有编码基因功能，其余90%的DNA被称作“垃圾DNA”或者“DNA暗物质”，尽管它们都没有直接编码的基因，但是却对其他基因的活性有重要的调控作用。

在此前已经有研究发现，SRY会作用于一类被称作TESCO的SOX9增强子上，研究者认为SOX9启动表达后就会依赖TESCO来自行调节表达量，完成性腺发育。在人类中SOX9的表达量下降至50%，就会引起男性（XY）向女性的性特征转变。2017年来自英国的研究团队利用CRISPR技术敲除了小鼠胚胎中的TESCO，直接使SOX9的表达量平均下降了50%，但是小鼠中并没有出现性特征反转的现象。这说明一个增强子似乎不足以完全影响SOX9的表达，对性腺发育也没有起决定性作用。

就在最近已经有多篇关于性发育异常的研究相继出炉，都指出了更多SOX9增强子存在的可能。去年11月发表在Sex Ddevelopment上的文章，在性发育异常的病人中找到了SOX9基因上游两段调控区域XYSR和RevSex；而在今年6月，Science上来自英国弗朗西斯·克里克研究所的一项研究，将小鼠中的增强子Enh13敲除，实现了小鼠的性别反转。

上述研究锁定的区域相对过大不便于精确定位，或者只局限于动物实验不能直接作为人类临床参考。上周《自然·通讯》上的论文再次刷新了学界对于性发育过程的认识，来自墨尔本大学的Andrew Sinclair利用性发育异常病人样本，在之前实验的基础上，不断缩小可疑区域范围，精确分析找到了人类对应的3个核心增强子区域：

·位于人类XYSR的eSR-A区域，与小鼠Eh13 具有80%同源性（1号）

·位于人类RevSex的eSR-B区域（2号）

·位于人类TESCO的eALDI区域（3号）

Sinclair实验锁定的影响性发育的三个增强子区域。

这三个区域的作用效应相同，但是方式上有一定差异。1号与2号区域是一种自身就受SOX9调控的增强子，类似于正反馈调节，SOX9的表达会激活这两个增强子区域，让SOX9表达更高。它一直在告诉胚胎，我还需要更多的SOX9。这一过程完全不需要Y染色体和SRY的帮助。因此Sinclair也在多个46XX却有睾丸发育的女性中发现了该区域的重复拷贝，意味着没有Y染色体的帮助，仅凭这两个区域的过高激活也会让女性发育出雄性性腺。

3号区域则会受到SRY的调控，它需要SRY给它一个刺激作用，告诉它可以开始工作了。研究者认为SRY和SF1（SRY的合作蛋白）会在胚胎早期发育过程开始表达，然后结合到3号区域启动SOX9的表达，这对于雄性胚胎性发育至关重要。这3个区域对于雄性性发育缺一不可，按照启动、上调、维持的步骤，3个增强子各司其职。3号启动SOX9表达后，1号与2号接力保证SOX9的高效表达，缺乏其中一个则会造成男性睾丸发育障碍。

3种增强子用不同的方式调控着SOX9的表达。

目前只有大约38.7%的性发育异常患者能够得到准确的诊断，因为人类对性发育过程所了解的基因非常有限。临床诊断上，仅从类似SRY或者SOX9这种具有编码作用的基因着手，明显有很大局限性。许多患者性别反转的原因可能正藏身在类似Sinclair研究中的 “基因荒漠”中，而目前基因筛查几乎是直接放弃这部分DNA序列的。

在人类整个DNA集合中，大约有100万个增强子分别控制着约22000个基因的表达。“增强子在DNA序列上，但是并非位于编码基因区域。许多病症的解决，最终还是需要从这些DNA暗物质中获得答案。”Sinclair表示。

参考链接：

The Role of Copy Number Variants inDisorders of Sex Development. DOI: 10.1159/000481896

Sex reversal following deletionof a single distal enhancer of Sox9. DOI: 10.1126/science.aas9408originally published online June 14, 2018

Long-Term Health Issues related to Disorders or Differences inSex Development /Intersex. DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.maturitas.2016.10.003

Disorders of sex development: insights from targeted gene sequencing of a large international patient cohort. https://doi.org/10.1186/s13059-016-1105-y

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181215141333.htm

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-6496721/How-babys-sex-determined-not-just-chromosomes.html

https://en.wikipedia.org/wiki/SOX9

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