雌性体内的睾丸，或能帮它们更好地“吃土”

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雌性体内的睾丸，或能帮它们更好地“吃土”是怎么回事，是真的吗？2020年10月15日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                雌性体内的睾丸，或能帮它们更好地“吃土”
                               
                                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？
                               
                               


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。

撰文 | 罗丁豪

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。


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。


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。


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。


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.