科學通報 | 龜類性別之謎: 溫度如何開啟“分子開關”決定雌雄?

全球變暖正在悄然改變自然界一些動物的性別比例. 在澳大利亞北部, 綠海龜孵化沙灘的溫度持續升高, 導致孵化出的幼龜中99%為雌性[1]. 隨著雄性數量銳減, 這一物種正走向“性別失衡”的生態死角, 繁衍能力遭遇嚴峻挑戰. 龜類作為典型的溫度依賴型性別決定(temperature-dependent sex determination, TSD)物種, 其胚胎性腺如同精密溫度感受器——但溫度如何轉化為性別指令?

早期關于TSD的研究推測, 溫度感知可能由大腦或性腺旁組織負責, 并通過腦-垂體-性腺軸或旁分泌途徑調控性腺分化[2~4]. 然而, 后續的體外培養實驗表明, 性腺本身具備感知溫度變化并據此決定分化方向的能力[5]. 基于此, 當前研究聚焦于胚胎發育期原始性腺的溫度敏感機制. 那么性腺里是誰在充當這個“溫度感受器”呢? 以典型的TSD物種紅耳龜(Trachemys scripta)為模型——其在26°C孵化時后代全為雄性, 32°C時全為雌性——本課題組近期發表于Science Bulletin的兩項研究[6,7], 通過離體細胞篩選和單細胞轉錄組測序, 在胚胎發育早期的性腺中找到了一群特殊的細胞, 稱之為“溫敏類固醇生成細胞”(thermosensitive steroidogenic cells, TSSCs). 如圖1所示, TSSCs表面裝備著溫度敏感鉀離子通道KCNK3(potassium two pore domain channel subfamily K member 3). 這類通道就像是細胞膜上的“管家通道”, 在正常生理狀態下負責讓鉀離子外流, 維持細胞膜電位的穩定. 當溫度降至雄性發育所需的閾值(如26°C)時, KCNK3通道功能被抑制. 鉀離子無法順暢外流而在細胞內積聚, 導致膜電位去極化. 這種電位變化激活了電壓敏感型鈣離子通道, 促使關鍵的第二信使鈣離子(Ca2+)大量內流. 由此, 物理的溫度信號通過離子通道的級聯反應, 被精準轉化為細胞內的鈣離子生物信號.

圖1 雄性性別決定分子機制示意圖

關鍵的鈣離子信號激活后, 驅動TSSCs合成了醛固酮(aldosterone)而非傳統認為主導性別分化的性激素(如睪酮或雌激素), 這是一個意外發現. 單細胞RNA測序結果顯示, TSSCs細胞高表達合成醛固酮所需的關鍵酶, 卻幾乎不表達制造經典性激素的關鍵酶. 這暗示了龜類演化出了一條獨特的類固醇激素合成路徑. 酶聯免疫吸附試驗進一步證實: 在低溫(雄性誘導環境)下, 胚胎性腺中的醛固酮濃度顯著升高, 而睪酮、雌二醇等傳統性激素的水平則沒有顯著變化. 為了驗證鈣信號的核心作用, 本課題組進行了關鍵的藥理學干預: 使用鈣通道阻滯劑伊拉地平(isradipine)阻斷鈣離子內流, 成功抑制了醛固酮的合成; 使用鉀通道激動劑花椒堿(sanshool)在較高溫度下模擬低溫效應(即抑制鉀通道功能), 同樣能誘導醛固酮分泌增加. 這些實驗直接證實鉀離子通道和鈣離子通道構成的級聯反應, 是精準調控醛固酮合成的關鍵分子開關. 那么, 醛固酮又是如何啟動雄性發育的呢? 已知DMRT1(doublesex-mab3-related transcription factor 1)基因是啟動睪丸發育、決定雄性命運的核心調控基因. 研究發現醛固酮與其受體NR3C1(nuclear receptor subfamily 3, group C, member 1)結合形成的復合體, 能夠直接激活DMRT1基因的表達(圖1), 從而啟動整個雄性發育程序. 值得注意的是, 龜類的NR3C1受體對醛固酮表現出特異性響應, 這突破了哺乳動物中該受體主要結合糖皮質激素的傳統認知. 這種特異性可能根植于脊椎動物類固醇系統的演化歷程: 哺乳動物的腎上腺與性腺雖然在成體分離, 但在胚胎期共同起源于腎上腺-性腺原基(adrenogonadal primordium, AGP), 提示二者早期發育中可能共享了類固醇調控通路[8]. 此外, 在部分硬骨魚類中, 腎上腺皮質激素具有保守的性別調控潛能, 可誘導雌性向雄性的性別逆轉[9]. 隨著脊椎動物從水生向陸生演化, 腎臟結構的轉變(前腎轉變為后腎)促使腎上腺與腎臟分離并特化. 在此背景下, 龜類TSD機制中由醛固酮主導的性別決定途徑, 可能是陸生適應過程中類固醇信號通路功能分化的結果.

盡管這些分子關系錯綜復雜, 但研究團隊通過嚴謹的實驗證實了這條通路的存在與功能. 在產出1:1性比的28°C條件下, 激活TSSCs鈣信號(模擬低溫), 結果雄性比例大大增加. 同樣在28°C, 直接添加外源醛固酮, 也能顯著提高雄性比例. 在產全雄的26°C低溫條件下, 阻斷醛固酮的合成或者阻斷NR3C1受體, 就能成功誘導相當一部分胚胎發育成雌性. 這些強有力的干預實驗證明, 這條“溫度→離子通道→鈣信號→醛固酮→NR3C1受體→DMRT1基因→雄性”的通路, 確實是溫度決定龜類性別的核心機制.

這項研究首次完整解析了溫度依賴型性別決定的分子通路, 從性腺內特化的“溫度計”細胞(TSSCs)感知環境變化, 到離子通道將物理信號轉化為生物化學信號(Ca2+), 進而驅動非經典性激素醛固酮的合成, 最終通過特異性受體激活雄性決定基因DMRT1. 我們的工作闡明了TSD的一個核心分子機制.

參考文獻

[1] Lockley E C, Eizaguirre C. Effects of global warming on species with temperature-dependent sex determination: bridging the gap between empirical research and management. Evolary Appl , 2021 , 14: 2361 -2377

[2] Crews D. The organizational concept and vertebrates without sex chromosomes. Brain Behav Evol , 1993 , 42: 202 -214

[3] Gutiérrez-Ospina G, Jiménez-Trejo F J, Favila R, et al. Acetylcholinesterase-positive innervation is present at undifferentiated stages of the sea turtle Lepidochelis olivacea embryo gonads: implications for temperature-dependent sex determination. J Comp Neurol , 1999 , 410: 90 -98

[4] Merchant-Larios H, Fierro I V, Urruiza B C. Gonadal morphogenesis under controlled temperature in the sea turtle Lepidochelys olivacea. Herpetol Monogr , 1989 , 3: 43

[5] Shoemaker-Daly C M, Jackson K, Yatsu R, et al. Genetic network underlying temperature-dependent sex determination is endogenously regulated by temperature in isolated cultured Trachemys scripta gonads. Dev Dyn , 2010 , 239: 1061 -1075

[6] Li J, Ye Y Z, Zheng D, et al. Molecular basis for thermal switch of temperature-dependent sex determination in a turtle species. Sci Bull , 2025

[7] Ye Y Z, Li J, Li W, et al. Transcriptional control of male-specific pathway in temperature-dependent sex determination. Sci Bull , 2025

[8] Bland M L, Desclozeaux M, Ingraham H A. Tissue growth and remodeling of the embryonic and adult adrenal gland. Ann New York Acad Sci , 2003 , 995: 59 -72

[9] Goikoetxea A, Todd E V, Gemmell N J. Stress and sex: does cortisol mediate sex change in fish?. Reproduction , 2017 , 154: R149 -R160

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿