科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大約在 1.8 億年前 Y 染色體出現(xiàn)在哺乳動物的身上，但  Y 染色體的長度在逐漸變短，甚至可能會在 460 萬年后消失。如果這個決定人類性別的關(guān)鍵染色體消失，人類的性別又該如何區(qū)分呢？

其實(shí)，在極少數(shù)嚙齒動物物種中，Y 染色體已經(jīng)消失，也不存在 Sry 基因，但仍可以發(fā)育出睪丸。比如，奄美刺鼠（Tokudaia osimensis）是一種只在日本奄美大島發(fā)現(xiàn)的瀕危嚙齒類動物，它是目前已知的四種缺乏 Y 染色體的哺乳動物之一。在奄美刺鼠中，Sry 基因完全缺失，但仍然分雌雄。

這意味著睪丸分化可以在沒有 Sry 基因的情況下進(jìn)行，然而，經(jīng)過 30 多年的深入研究，科學(xué)家們?nèi)晕茨芙沂拘碌男詣e基因的身份。

2022 年 11 月 28 日，來自日本北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊揭示了一種獨(dú)立于 Y 染色體的新的性別決定機(jī)制。研究人員在奄美刺鼠中發(fā)現(xiàn)了一段僅存在于雄性個體中的 DNA 重復(fù)序列，該重復(fù)序列位于 3 號染色體 Sox9 基因序列的上游，能在缺少 Sry 基因的情況下促進(jìn) Sox9 基因的表達(dá)，誘導(dǎo)睪丸形成。

這一結(jié)果表明奄美刺鼠的性別決定機(jī)制已經(jīng)轉(zhuǎn)移到常染色體——3 號染色體，這也是哺乳動物性別決定機(jī)制易位的首個例子。

該研究結(jié)果以 Turnover of mammal sex chromosomes in the Sry-deficient Amami spiny rat is due to male-specific upregulation of Sox9 為題發(fā)表在 PNAS 雜志。

研究小組收集了三只雄性和三只雌性的奄美刺鼠的組織樣本，為每只個體生成基因組序列，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析以提取特定于某一性別的單核苷酸多態(tài)性（SNP）和拷貝數(shù)變異（CNV）。

分析結(jié)果表明，并不存在性別特異性的 SNP，但通過 CNV 篩選，他們識別了 41 個性別相關(guān)的候選 CNV 區(qū)域，其中 39 個 CNV 區(qū)域在其他動物中沒有表現(xiàn)出性別差異，其余 2 個均位于雄性奄美刺鼠 3 號染色體短臂 Sox9 基因的上游。測序后發(fā)現(xiàn)該 DNA 重復(fù)序列由一個約 17 kb 的單元組成，具有成對的序列標(biāo)識。三名雄性的基因組中都存在這種復(fù)制，但三名雌性的基因組中都沒有這種復(fù)制，表明這是雄性基因組中特有的一個等位基因。

這部分的分析結(jié)果揭示了只在雄性中存在的 DNA 重復(fù)序列，這個復(fù)制區(qū)域位于染色體 3 上 Sox9 基因的上游。

研究人員假設(shè) tosEnh14 的復(fù)制增加了 Sox9 在奄美刺鼠的表達(dá)。由于不可能從瀕危的奄美刺鼠身上獲得組織，他們使用了基因編輯小鼠進(jìn)行了功能驗(yàn)證。為了評估 tosEnh14 在胚胎性腺中的活性，他們將兩個 tosEnh14 片段克隆到帶有報告基因 lacZ 的 Sox9 啟動子上游，以生成轉(zhuǎn)基因小鼠。通過分析 7 個轉(zhuǎn)基因雌性（XX）胚胎和 11 個轉(zhuǎn)基因雄性（XY）胚胎，發(fā)現(xiàn)雌性小鼠胚胎顯示出誘導(dǎo)睪丸形成的基因表達(dá)，雄性小鼠胚胎睪丸中顯示出強(qiáng)大的 β-Gal 活性，這表明 tosEnh14 確實(shí)可以調(diào)節(jié)胚胎性腺中的 Sox9 表達(dá)。

綜上所述，本研究通過對缺乏 Y 染色體的奄美刺鼠的研究，發(fā)現(xiàn)了一種在新的性別調(diào)控機(jī)制。他們在 3 號染色體上觀察到一段僅存在于雄性個體中的 DNA 重復(fù)序列，并證實(shí)它類似于小鼠的 SOX9 增強(qiáng)子 Enh14。在 Sry 缺失的情況下，這一重復(fù)序列會上調(diào) Sox9，并成為了奄美刺鼠新的性別決定因子。

未來的工作將集中在研究 Enh14 發(fā)揮作用的確切機(jī)制，以及確定這種新的性別決定機(jī)制的其他因素。

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).