本文转载自公众号“丁香学术”
作者 协和小卒
在哺乳动物中，雄性和雌性通常是由 X 和 Y 染色体决定的。一般来说，女性有两条 X 染色体（XX），而男性有一条 X 染色体和一条 Y 染色体（XY）。Y 染色体上的 Sry 基因触发了睾丸的形成，Sry 基因上调未分化胚胎性腺中 Sox9 的表达，使细胞分化为支持细胞，这对雄性的性别分化非常重要。
科学家发现，大约在 1.8 亿年前 Y 染色体出现在哺乳动物的身上，但 Y 染色体的长度在逐渐变短，甚至可能会在 460 万年后消失。如果这个决定人类性别的关键染色体消失，人类的性别又该如何区分呢？
其实，在极少数啮齿动物物种中，Y 染色体已经消失，也不存在 Sry 基因，但仍可以发育出睾丸。比如，奄美刺鼠（Tokudaia osimensis）是一种只在日本奄美大岛发现的濒危啮齿类动物，它是目前已知的四种缺乏 Y 染色体的哺乳动物之一。在奄美刺鼠中，Sry 基因完全缺失，但仍然分雌雄。
这意味着睾丸分化可以在没有 Sry 基因的情况下进行，然而，经过 30 多年的深入研究，科学家们仍未能揭示新的性别基因的身份。
2022 年 11 月 28 日，来自日本北海道大学的研究团队揭示了一种独立于 Y 染色体的新的性别决定机制。研究人员在奄美刺鼠中发现了一段仅存在于雄性个体中的 DNA 重复序列，该重复序列位于 3 号染色体 Sox9 基因序列的上游，能在缺少 Sry 基因的情况下促进 Sox9 基因的表达，诱导睾丸形成。
这一结果表明奄美刺鼠的性别决定机制已经转移到常染色体——3 号染色体，这也是哺乳动物性别决定机制易位的首个例子。
该研究结果以 Turnover of mammal sex chromosomes in the Sry-deficient Amami spiny rat is due to male-specific upregulation of Sox9 为题发表在 PNAS 杂志。
研究小组收集了三只雄性和三只雌性的奄美刺鼠的组织样本，为每只个体生成基因组序列，并进行了数据分析以提取特定于某一性别的单核苷酸多态性（SNP）和拷贝数变异（CNV）。
分析结果表明，并不存在性别特异性的 SNP，但通过 CNV 筛选，他们识别了 41 个性别相关的候选 CNV 区域，其中 39 个 CNV 区域在其他动物中没有表现出性别差异，其余 2 个均位于雄性奄美刺鼠 3 号染色体短臂 Sox9 基因的上游。测序后发现该 DNA 重复序列由一个约 17 kb 的单元组成，具有成对的序列标识。三名雄性的基因组中都存在这种复制，但三名雌性的基因组中都没有这种复制，表明这是雄性基因组中特有的一个等位基因。
这部分的分析结果揭示了只在雄性中存在的 DNA 重复序列，这个复制区域位于染色体 3 上 Sox9 基因的上游。
基于上述结果，研究人员推测该重复序列参与了奄美刺鼠细胞中 Sox9 的调控。为了验证这种可能性，他们使用雄性奄美刺鼠的细胞进行了 Hi-C 分析，以检查该区域的染色质构象。Hi-C 分析结果表明，该区域被包含在 Sox9 TAD（拓扑相关结构域）中，提示其具有与 Sox9 基因发生染色质相互作用的潜力。进一步研究发现，该重复序列的作用类似于小鼠中的 Sox9 增强子 Enh14，并将该序列称为 tosEnh14。
研究人员假设 tosEnh14 的复制增加了 Sox9 在奄美刺鼠的表达。由于不可能从濒危的奄美刺鼠身上获得组织，他们使用了基因编辑小鼠进行了功能验证。为了评估 tosEnh14 在胚胎性腺中的活性，他们将两个 tosEnh14 片段克隆到带有报告基因 lacZ 的 Sox9 启动子上游，以生成转基因小鼠。通过分析 7 个转基因雌性（XX）胚胎和 11 个转基因雄性（XY）胚胎，发现雌性小鼠胚胎显示出诱导睾丸形成的基因表达，雄性小鼠胚胎睾丸中显示出强大的 β-Gal 活性，这表明 tosEnh14 确实可以调节胚胎性腺中的 Sox9 表达。
综上所述，本研究通过对缺乏 Y 染色体的奄美刺鼠的研究，发现了一种在新的性别调控机制。他们在 3 号染色体上观察到一段仅存在于雄性个体中的 DNA 重复序列，并证实它类似于小鼠的 SOX9 增强子 Enh14。在 Sry 缺失的情况下，这一重复序列会上调 Sox9，并成为了奄美刺鼠新的性别决定因子。
总之，该研究首次发现了一种与哺乳动物性别决定机制直接相关的雄性特异性基因元素，并且这种基因元素与 Sry 无关。这表明，奄美刺鼠的性别决定机制已经转移到常染色体——3 号染色体上，这是哺乳动物性别决定机制易位的第一个例子。
未来的工作将集中在研究 Enh14 发挥作用的确切机制，以及确定这种新的性别决定机制的其他因素。
参考文献：
1. Terao M,. Turnover of mammal sex chromosomes in the Sry-deficient Amami spiny rat is due to male-specific upregulation of Sox9. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Dec 6;119(49):e2211574119. doi: 10.1073/pnas.2211574119.
2. N. Gonen et al., Sex reversal following deletion of a single distal enhancer of Sox9. Science 360,1469–1473 (2018).
3. A. Despang et al., Functional dissection of the Sox9-Kcnj2 locus identifies nonessential and instructive roles of TAD architecture. Nat. genet. 51, 1263–1271 (2019).
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