有Y染色體也能變女生：3種DNA「暗物質」可逆轉胎兒性別

圖片來源：UNIVERSITY OF ROCHESTER MEDICAL CENTER

人類胚胎髮育過程中重要的一環就是性分化，完整發育的性腺決定著胎兒的性別。Y染色體一度被認為是男性睾丸發育的決定因素，但是一些胎兒即使有Y染色體也會發育成女性。以往的研究指出這是DNA調控元件影響的結果，而在最近的Nature Communication期刊上，墨爾本大學的科學家進一步明確了調控機制：他們在性發育異常患者中發現，有3個DNA增強子直接控制著胚胎性發育這一過程。

撰文丨楊心舟

染色體決定性別？

正常人的體細胞包含46條染色體，從1902年麥克朗發現性染色體以來，科學界就認為性染色體負責決定個體的性別。他們將這兩個不對稱染色體中較大的稱作X染色體，小的稱作Y染色體。有兩條X染色體的胚胎就會發育成女孩，而X-Y染色體組合的則會發育成男孩。Y染色體在其中起到的關鍵作用就是能夠促進男性性腺的發育。

性腺形成是胚胎髮育過程中的重要一環，這一過程會受到體內基因與表觀遺傳的精密調控。性腺的發育方向包括睾丸和卵巢，擁有何種性腺就決定著胚胎的性別。但是有一類性發育異常（DSD）患者卻並不遵循這一規則，最常見的癥狀就是先天性腎上腺皮質增生（CAH），這些患者擁有兩條X染色體，但是新生兒卻可能同時擁有男女性特徵。另外一種就是雄激素不敏感綜合征（AIS），這些人有Y染色體，但是卻展現出女性的外表，很多到青春期才發現自己從基因組上來說不是女生。

沒有Y染色體的女性可以長出雄性特徵的睾丸，有Y染色體的男性卻出現睾丸發育障礙，甚至發育出卵巢。究竟哪些基因在控制著性發育過程呢？

「男子漢」基因

最早從上世紀60年代，科學界就開始圍繞「男子漢」基因展開了研究，試圖從基因層面揭開男生不同於女生的原因。1990年，來自澳大利亞的Grave和英國的Badge確定了Y染色體上決定性別的基因——SRY基因，其對男性個體有重要作用。 SRY全稱為sex-determining region Y ，也被稱作睾丸決定因子。包括人類在內的大多數哺乳動物，睾丸的發育會受到Y染色體上的SRY基因控制。其編碼的蛋白具有DNA結合能力，通常與SOX基因家族起結合作用，並調節相關SOX基因的表達。其最經典的結合對象就是SOX9基因——一種調控睾丸發育的最重要基因。除了促進男性特徵性腺的發育，SRY也會阻止女性性腺的形成，SRY或者SOX9的突變，都會造成性發育異常的病症出現。

雖然女性沒有Y染色體，但無論男女都會表達SOX9基因。即使染色體組沒有問題，SOX9表達水平不穩定，男女都會出現性發育異常。常見的就是46XX（染色體組正常的女性）因為SOX9表達過高發育出男性性腺，或者46XY（染色體組正常的男性）因為SOX9表達過低，導致睾丸發育異常，因此缺乏睾酮從而顯現出女性特徵。這兩個基因可以一定程度上解釋性發育異常出現的原因，但並不是全部。

SOX9蛋白結構。圖片來源：Wikipedia

近些年來的研究已經揭示，除了SRY，SOX9基因的表達通常還會受到一些調控元件的影響，這是一類被稱作增強子的DNA區域，它們可以極大地提高對應基因的表達量，但是由於本身並不位於編碼基因區域很容易被忽略。有些增強子甚至可以在SOX9上游轉錄起始的位置就開始對其影響。該研究的作者Andrew Sinclair表示，人類只有10%的DNA序列有編碼基因功能，其餘90%的DNA被稱作「垃圾DNA」或者「DAN暗物質」，儘管它們都沒有直接編碼的基因，但是卻對其他基因的活性有重要的調控作用。

DNA「暗物質」

在此前已經有研究發現，SRY會作用於一類被稱作TESCO的SOX9增強子上，研究者認為SOX9啟動表達後就會依賴TESCO來自行調節表達量，完成性腺發育。在人類中SOX9的表達量下降至50%，就會引起男性（XY）向女性的性特徵轉變。2017年來自英國的研究團隊利用CRISPR技術敲除了小鼠胚胎中的TESCO，直接使SOX9的表達量平均下降了50%，但是小鼠中並沒有出現性特徵反轉的現象。這說明一個增強子似乎不足以完全影響SOX9的表達，對性腺發育也沒有起決定性作用。

就在最近已經有多篇關於性發育異常的研究相繼出爐，都指出了更多SOX9增強子存在的可能。去年11月發表在Sex Ddevelopment上的文章，在性發育異常的病人中找到了SOX9基因上游兩段調控區域XYSR和RevSex；而在今年6月，Science上來自英國弗朗西斯·克里克研究所的一項研究，將小鼠中的增強子Enh13敲除，實現了小鼠的性別反轉。

上述研究鎖定的區域相對過大不便於精確定位，或者只局限於動物實驗不能直接作為人類臨床參考。上周《自然·通訊》上的論文再次刷新了學界對於性發育過程的認識，來自墨爾本大學的Andrew Sinclair利用性發育異常病人樣本，在之前實驗的基礎上，不斷縮小可疑區域範圍，精確分析找到了人類對應的3個核心增強子區域：

·位於人類XYSR的eSR-A區域，與小鼠Eh13 具有80%同源性（1號）

·位於人類RevSex的eSR-B區域（2號）

·位於人類TESCO的eALDI區域（3號）

Sinclair實驗鎖定的影響性發育的三個增強子區域。

這三個區域的作用效應相同，但是方式上有一定差異。1號與2號區域是一種自身就受SOX9調控的增強子，類似於正反饋調節，SOX9的表達會激活這兩個增強子區域，讓SOX9表達更高。它一直在告訴胚胎，我還需要更多的SOX9。這一過程完全不需要Y染色體和SRY的幫助。因此Sinclair也在多個46XX卻有睾丸發育的女性中發現了該區域的重複拷貝，意味著沒有Y染色體的幫助，僅憑這兩個區域的過高激活也會讓女性發育出雄性性腺。

3號區域則會受到SRY的調控，它需要SRY給它一個刺激作用，告訴它可以開始工作了。研究者認為SRY和SF1（SRY的合作蛋白）會在胚胎早期發育過程開始表達，然後結合到3號區域啟動SOX9的表達，這對於雄性胚胎性發育至關重要。這3個區域對於雄性性發育缺一不可，按照啟動、上調、維持的步驟，3個增強子各司其職。3號啟動SOX9表達後，1號與2號接力保證SOX9的高效表達，缺乏其中一個則會造成男性睾丸發育障礙。

3種增強子用不同的方式調控著SOX9的表達。

目前只有大約38.7%的性發育異常患者能夠得到準確的診斷，因為人類對性發育過程所了解的基因非常有限。臨床診斷上，僅從類似SRY或者SOX9這種具有編碼作用的基因著手，明顯有很大局限性。許多患者性別反轉的原因可能正藏身在類似Sinclair研究中的 「基因荒漠」中，而目前基因篩查幾乎是直接放棄這部分DNA序列的。

在人類整個DNA集合中，大約有100萬個增強子分別控制著約22000個基因的表達。「增強子在DNA序列上，但是並非位於編碼基因區域。許多病症的解決，最終還是需要從這些DNA暗物質中獲得答案。」Sinclair表示。

參考鏈接：

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

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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