雌性体内的睾丸,或能帮它们更好地“吃土”

作者:罗丁豪来源:环球科学发布时间:2020-10-15

睾丸是雄性动物的生殖器官,但鼹鼠却是一个特例。科学家早已发现,多种鼹鼠的雌性同时拥有卵巢与睾丸。如此奇特的生理结构,是如何出现的?

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图片来源:santia3


近期,一项发表于《科学》的研究通过分析雌性鼹鼠DNA的三维结构,终于找到了答案。这项研究不仅加深了我们对性发育的理解,还进一步模糊了动物界中的两性之别。


在哺乳动物中,基因决定了生物的性别。在发育过程中,携带XY染色体的雄性,会表达Y染色体上的SRY基因(又名睾丸决定因子),从而迅速调高睾丸酮(testosterone)的水平,并抑制雌性性征、促进雄性性征的出现。携带XX染色体的雌性则不同,由于没有SRY基因的抑制,它们能顺利发育出雌性性征。在大多数情况下,两性性征各守其道,互不干扰。


然而,雌性鼹鼠则有一个离奇的故事,它们中的许多都是“雌雄同体”。已知在至少8个物种的鼹鼠中,雌性既有卵巢,也有睾丸。两者结合,形成了一种名为卵睾体(ovotestis)的独特生理结构。雌性鼹鼠卵睾体的睾丸部分,除了不生产精子,正常睾丸的其他功能,都能实现。相比没有卵睾体的雌性,这些雌性具有更强的攻击性,长有更强壮的肌肉,还有类似于雄性阴茎的外显结构。在非交配季节,有些雌性鼹鼠的睾丸酮水平,甚至比雄性还高。


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携带XX染色体的成年鼹鼠具有卵睾体。(来源:Real et al., 2020)


为了弄清这种奇特结构的发育机制,在一项近期发表于《科学》的文章中,马克斯·普朗克分子遗传学研究所和柏林医学系统生物学研究所的斯特凡·蒙德洛斯(Stefan Mundlos)等人,探究了这些拥有卵睾体的雌性鼹鼠,在基因序列和结构上究竟有什么“异于常鼠”之处。


DNA三维结构


基因序列可以用A、T、C、G构成的一串字母来表示,它们代表4个不同的碱基,按照一定规律排列组合。但最近几十年的遗传学研究,揭示了一个早该受到重视的问题:DNA不只有序列,还有独特的三维结构。要想把平均长达1.8米的DNA序列塞进直径不到10微米的细胞核里,需要通过组织蛋白(histone)等将DNA序列“绑”起来,压缩它的体积。


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DNA不仅有一维序列,还有三维结构。(来源:E.L. Aiden, Knowable Magazine)


这样的一个必然结果就是形成了在结构上相近的基因“邻居”,科学家把它们统称为拓扑相关结构域(topologically associated domain,TAD)。同一个TAD中的基因之间发生交互作用的频率,远远大于不同TAD之间基因交互的频率。因此,TAD很可能是基因表达的重要单位,掌控着生物性状的发育和变化。


考虑到TAD的重要性,蒙德洛斯等人想到,这些“雌雄同体”的鼹鼠,或许在TAD结构的调节上与只有卵巢的鼹鼠不同。于是,他们利用高通量染色体构象捕获等技术,对伊比利亚鼹鼠(Talpa occidentalis,雌性具有卵睾体)的DNA序列、结构进行了分析。


结果显示,不论在基因序列还是基因调控序列上,伊比利亚鼹鼠都没有什么特别之处,但在DNA的三维结构中,蒙德洛斯与同事找到了一份惊喜。在一个TAD内,一个名为CYP17A1的基因重复了3次。有趣的是,CYP17A1的复制还导致了其增强子(enhancer,激活后能上调基因的转录效率,从而增强基因表达)的复制,将CYP17A1的表达翻了好几番。CYP17A1编码的是一种能促进雄性激素(androgen)和睾丸酮合成的羟基化酶,因此,三倍于普通鼠的CYP17A1基因,加上复制后的增强子,或许是雌性伊比利亚鼹鼠发育出卵睾体的原因。


不仅如此,蒙德洛斯等人还在伊比利亚鼹鼠的基因内发现了一个基因倒位(inversion),位于一个名为FGF9的基因的调控序列内。这个简单的倒位,将原本位于另外一个TAD上的基因序列,硬生生地拽到了FGF9所属的TAD里,调高了FGF9的表达。而FGF9表达会直接促进雄性性征的发育。这导致了雌性伊比利亚鼹鼠卵睾体内的FGF9表达水平,与雄性睾丸中的不相上下——这与小鼠之类的哺乳动物形成了鲜明对比:在雌性小鼠的卵巢内,FGF9的表达水平不及雄性睾丸内的三分之一。


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基因倒位可以将属于一个TAD的调控序列“搬运”到另一个TAD里,从而转为调控后者的基因表达。(来源:Thomas Splettsotesser;翻译:罗丁豪)


即然在小鼠体内也有相似的DNA序列,那么为雌性小鼠量身定制一套“雌雄同体”基因,会不会让它们发育出与雌性鼹鼠一样的卵睾体呢?蒙德洛斯等人回到实验室,在小鼠身上模拟了CYP17A1和FGF9基因序列和调控序列的变化,并发现基因编辑后的雌性小鼠的睾丸酮水平和肌肉强度都变高了。这也进一步说明了,DNA结构在动物发育中具有重要作用。有时,简单的基因倒位就能导致两性性征的剧烈改变。


巧妙的演化


长有卵睾体的伊比利亚鼹鼠的确抓人眼球,但自然选择注重的是物种存活和繁衍的能力,因此,一个显而易见的问题就是:鼹鼠的卵睾体,究竟有什么用处呢?


卵睾体中的睾丸部分,如同雄性睾丸,负责分泌睾丸酮和雄性激素。这两种激素都能促进动物的攻击性和增加肌肉质量。而鼹鼠的生活方式则主要依赖于挖土:它们从土里找吃的,还要在土里挖出自己的房子。因此,不论雌雄,鼹鼠都有发达的前爪和“退化”的后爪,前爪的肌肉也十分结实。甚至不同于许多哺乳动物,有着六根手指。荷兰动物学家J·黑克(J. Haeck)指出,雌性鼹鼠具有“中性体质”,或许正是由于鼹鼠艰苦的生活方式。


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雌雄同体的北美红雀(左)和纹鳍鱼(右)。来源:Shirley Caldwell(左)、Aquarium Domain.com(右)


鼹鼠的例子也说明了,在演化中,“两性”并不是可以一分为二的清晰概念。这些鼹鼠并不孤独,陪伴它们的还有雌雄同体的北美红雀、南美蜜蜂、纹鳍鱼。一些扁虫甚至会使用阴茎击剑(penis fencing)的交配方式,交配时,双方都试图将自己的阴茎刺入对方皮下进行受精。正如蒙德洛斯所说,“性发育是一个极其复杂的过程”,雌雄同体不过是“自然变化的表现”。鼹鼠们给科学家上了一课:演化不在乎性别。


原始论文:

Real, F., Haas, S., Franchini, P., Peiwen, X. et al. (2020). Science. 09 Oct 2020: Vol. 370, Issue 6513, pp. 208-214. doi: 10.1126/science.aaz2582. 

参考材料:

Haeck (1969), Colonization of the mole (Talpa europea L.) in the ijsselmeer polders. Neth. J. Zool. 19, 145–248. doi: 10.1163/002829669X00107. 

Starr, M. (2019). This Incredible Bird Is Half Male, Half Female And Totally Real. ScienceAlert. 

Starr, M. (2020). Scientists Find a Half Male, Half Female Bee, Split Right Down The Middle. ScienceAlert.

Bernal, M.A. & Rocha, L.A. (2012). Speciation with Gene Flow in Coral Reef Fishes. Proceedings of the American Academy of Underwater Sciences, 31st Symposium.

Michiels, N.K. & Newman, L.J. (1998) Sex and violence in hermaphrodites. Nature 391:647. 

Max Planck Institute for Molecular Genetics. (2020). Moles: intersexual and genetically doped. 

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