導讀作者|劉如楠人們通常認為，性別是由爸爸決定的。可對紅耳龜來說，產蛋的溫度環境才是決定龜蛋雌雄的重要因素；一只生活在群體中的、個頭較大的雄性小丑魚，甚至會因為....

作者 | 劉如楠

人們通常認為，性別是由爸爸決定的。可對紅耳龜來說，產蛋的溫度環境才是決定龜蛋雌雄的重要因素；一只生活在群體中的、個頭較大的雄性小丑魚，甚至會因為“首領雌魚”的死亡而轉性為雌，成為新一屆的首領。

這種由溫度、社會壓力等環境因素決定動物性別的有趣生命現象，常見于爬行動物和魚類上，人們一直沒搞清楚其背后的分子機制。

4月17日在《科學》上線的一項研究，揭示了紅耳龜“溫度依賴型性別決定”（TSD）的上游調控通路，提出“pSTAT3-Kdm6b保守盒”的調控假說，為其他環境依賴型性別決定機制研究提供了借鑒。這項研究由浙江萬里學院教授葛楚天和美國杜克大學醫學中心教授Blanche Capel等團隊合作完成。

猜想：溫度與性別間存在媒介

研究發現，紅耳龜在31℃以上的高溫條件下，產出的蛋都是雌性的，而在27℃以下的低溫條件下，產出的蛋都是雄性的。性別，作為生物界最顯著的性狀之一，它和溫度之間的相互作用，一直是葛楚天等人關心的問題。

研究人員在2018年發現，對于紅耳龜來說，溫度通過影響表觀遺傳因子，而后調控了Dmrt1等負責性別的基因，最終決定了性別。

這里的表觀遺傳因子不同于普通的DNA，它可以隨環境因素的變化動態更改。“就像一種生長在水中的植物，所有葉子的DNA完全一樣，但表型卻不相同。水面上的葉子呈漂浮狀態，水下的葉子是針尖狀的，科學家認為，這種環境影響性狀的現象主要是通過表觀調控機制來實現的。”本文的作者之一、浙江萬里學院教授錢國英告訴《中國科學報》。

基于基因組和轉錄組學分析，研究人員通過對20個紅耳龜的表觀遺傳基因篩選后發現，Kdm6b因子能夠調控它的性別。

但Kdm6b因子卻不是直接受溫度控制的，不像分布在表皮神經末梢上的一些離子通道蛋白，溫度升高時打開，溫度降低時關閉。它不能直接感受溫度的變化。

“我們猜想，溫度和Kdm6b因子之間存在媒介，這種媒介能夠將溫度信號轉化為生物信號，從而影響表觀遺傳因子。”葛楚天說。

難點：龜鱉動物基因功能研究技術

葛楚天表示，此次的研究思路并不獨特，關鍵難點在于創建龜鱉動物的基因功能研究技術。CRISPR/Cas9等基因編輯技術目前都無法在龜鱉上實現，極大限制了龜鱉胚胎發育研究。

在最初的四五年，他的實驗室幾乎沒有任何成果和產出，將所有精力都花在了技術建設上，最終建立起“龜鱉動物基因功能鑒定技術平臺”。

對于模式動物小鼠而言，想要研究基因與性狀的關系，只需在受精卵時期對它進行基因編輯。而像龜鱉動物，處在受精卵時期的蛋尚在母體中，難以操作，產出后的蛋已經處于原腸腔階段，又不適宜進行基因編輯。“總不能殺龜取卵吧，即使能夠取出，也是很難存活的。”錢國英說。

因此，他們建立了一種替代技術，即通過病毒載體，將一些核酸片段導入胚胎，令其特異性干擾某些基因的表達。

注射病毒載體對龜蛋的創傷很大，“第一年龜蛋全部死亡，第二年注射的2000個龜蛋存活率只有10%，經過對技術方法的反復改進，目前紅耳龜蛋的存活率可達到30%-40%左右，中華鱉蛋的存活率能夠達到70%。”葛楚天告訴《中國科學報》，“這種技術，目前在國際上處于領先水平。”

研究的另一個難點在于，龜鱉類生物的生產繁殖有明顯的季節性，紅耳龜只在每年的5-7月產蛋，目前沒有能長期儲存的適當方法。研究人員只能在產蛋季節盡可能多地提取和保存樣本。這使得研究工作的周期相對較長。

發現：“pSTAT3-Kdm6b保守盒”

研究發現，高溫導致紅耳龜體細胞內的鈣離子增加，也就是說，鈣離子進入了性腺體細胞，從而激活了調控因子pSTAT3，pSTAT3又抑制表觀因子Kdm6b的表達，進而抑制雄性性別決定基因Dmrt1的表達，最終促進龜蛋向雌性發育。而后，他們又通過體內和體外實驗進行驗證，結果支持了前述發現。

通過比較，研究人員還發現，除鈣離子外，pSTAT3還能被其他一些環境感受因子激活，如參與鱷龜性別決定的冷誘導RNA綁定蛋白CIRBP和參與鱷魚性別決定的離子通道蛋白TRPV4等。基于此，他們提出了“pSTAT3-Kdm6b保守盒”調控假說。

溫度依賴型性別決定的分子模型

“通過對紅耳龜的實驗研究和對鱷龜、鱷魚的文獻研究，我們猜測，pSTAT3-Kdm6b的調控作用可能具有普遍意義，是相對‘保守’的，這為其他溫度依賴型性別決定物種的機制研究提供了借鑒。”葛楚天說。

中國科學院動物研究所研究員杜衛國評價說：“這項工作另辟蹊徑，從表觀遺傳角度為爬行動物溫度依賴型性別決定分子機制這一世紀之謎提出嶄新的詮釋，推動了該領域的發展。”

葛楚天表示，接下來希望進一步探索，溫度如何促進了鈣離子的內流，是通過哪個或哪幾個離子通道蛋白進行作用的，從而搞清整個溫度依賴型性別決定的作用過程。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.aaz4165