人类胎儿发育性别差异的起源和潜在机制

人类胎儿发育存在显著的性别差异，男性胎儿生长更快，但更容易发生不良妊娠事件，女性胎儿抵抗不良宫内环境的潜能更强，但是其生长稍慢【1,2】。这些差异到底起源于何时，潜在机制是什么，性染色体如何发挥作用，是胚胎发育领域亟待阐明的重要科学问题。

近日，北京大学第三医院袁鹏团队在《中国科学：生命科学》英文版发表研究论文，阐明了受精后第二周人类原肠前胚胎发育的性别差异及潜在机制，揭示了胎儿发育性别差异的起源。

该研究深入分析了65个人类胚胎（受精后6天至14天）8455个细胞的转录特征和部分细胞的甲基化特征，全面剖析了人类原肠前胚胎发育的性别差异。

研究发现性染色体主导着原肠前胚胎的转录差异。然而，随着胚胎发育和X染色体失活（X chromosome inactivation , XCI）推进，性染色体的作用逐渐减弱。滋养外胚层细胞（未来发育为胎盘）在胚胎植入后将分化为细胞滋养层细胞（cytotrophoblast，CTB）和合体滋养层细胞（syncytiotrophoblast，STB）。CTB 作为增殖活性较高的祖细胞，可以分化为STB。STB分泌各种胎盘激素，包括绒毛膜促性腺激素β-hCG。该研究发现，男性胚胎滋养外胚层细胞更早启动STB分化，导致其高表达胎盘激素基因；女性胚胎的滋养外胚层细胞则倾向于维持较高的增殖活性，同时具有更好的线粒体功能，有利于其抵抗不良妊娠环境；X连锁基因参与了上述转录和发育的性别差异。原始内胚层（未来发育为卵黄囊）在胚胎发育第二周将分化出前内脏内胚层，以促进前后体轴和原肠胚的形成。该研究发现，男性原始内胚层更早启动前内脏内胚层分化，且细胞周期更加活跃。上胚层（未来发育为胎儿）在受精后第二周完成幼稚多能性向始发多能性的转变，并形成前后体轴，为原肠胚形成、三胚层分化和器官发育做准备。该研究发现，上胚层的多能性转变和分化没有性别差异，但是男性上胚层的增殖活性更高，与男性胎儿生长更快一致。

为了确认转录差异是否引起了胚胎发育的表型差异，研究团队进一步分析了7000多个接受辅助生殖治疗女性的血清β-hCG水平，发现怀有男胎的孕妇具有更高的血清β-hCG水平，从而证实了胚胎发育的性别差异。有意思的是，上述β-hCG水平的差异大约在受精后第四周消失，可能与X染色体失活有关。

为了阐明性别差异的可能原因，研究团队首先分析了人类原肠前胚胎的基因组甲基化差异，发现X染色体的父本来源导致女性胚胎中X染色体的甲基化水平低于男性胚胎（X染色体仅来自母亲），介导了部分上述转录和发育的性别差异。其次，研究团队分析了滋养外胚层、原始内胚层、上胚层三者的细胞间通讯模式，发现男性和女性胚胎间EGF信号的差异与三个谱系增殖活性的性别差异有关，SEMA6信号在男性原始内胚层中的特异激活可能与其优先启动前内脏内胚层分化有关。另外，研究团队发现与血管生成相关的VEGF信号，以及与免疫耐受相关的TIGIT和PVR信号在女性胚胎中特异激活，可能是女性胚胎更能抵抗不良妊娠环境的原因。

总之，该研究全面揭示了受精后第二周人类原肠前胚胎各个谱系发育的性别差异以及潜在机制，这些差异初步解释了为什么男性胚胎/胎儿优先进行快速生长，而女性胚胎/胎儿则倾向于确保对不良环境的适应能力和抵抗力（图1）。

图1 人类原肠前胚胎发育的性别差异示意图

北京大学第三医院袁鹏副研究员、乔杰教授、闫丽盈教授为该论文的共同通讯作者，卢永杰博士后、秦萌博士和齐心童博士为共同第一作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程资助。

【参考文献】
1. Meakin, A.S., Cuffe, J.S.M., Darby, J.R.T., Morrison, J.L., and Clifton, V.L. Let's Talk about Placental Sex, Baby: Understanding Mechanisms That Drive Female- and Male-Specific Fetal Growth and Developmental Outcomes. International journal of molecular sciences, 2021,22. 10.3390/ijms22126386.
2. Broere-Brown, Z.A., Adank, M.C., Benschop, L., Tielemans, M., Muka, T., Gonçalves, R., Bramer, W.M., Schoufour, J.D., Voortman, T., Steegers, E.A.P., et al. Fetal sex and maternal pregnancy outcomes: a systematic review and meta-analysis. Biology of sex differences, 2020,11, 26. 10.1186/s13293-020-00299-3.