5℃之差便可转换性别！背后的基因密码是什么？

出品：科普中国

作者：昆虫实习生（生物学博士）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

“性别决定”是指在胚胎发育早期，由某些关键信号决定胚胎发展成雄性或雌性的过程。

遗传型性别决定（Genetic Sex Determination, GSD）较为常见，即雌性XX与雄性XY结合形成下一代受精卵的时候，母亲提供的都是X染色体，继承父亲的X则发育为雌性，继承父亲的Y则发育为雄性。

但是，你知道吗？在遗传型性别决定之外，有些生物的性别竟然还可以由它所处的环境所决定，被称为环境型性别决定（Environmental Sex Determination, ESD）。

这一机制的发现不仅挑战了我们对性别决定的传统认知，也为我们打开了一扇通往生命奥秘的新窗口。

环境型性别决定的生物有哪些？

环境型性别决定机制的关键在于环境因素如温度、光照和营养状况等的影响。

例如，在深海环境中，雄性红鲷鱼的鲜艳体色能够发出特殊信号，这些信号在雌鱼选择配偶时发挥重要作用。当雄鱼的体色消失时，身体最强壮的雌鱼可能会经历性别逆转，通过大量分泌雄性激素，促使其卵巢退化而变成雄性。

另一例子是咸水虾，它的性别决定受光照强度的影响，长时间光照的个体发育为雌性，而短光照的个体则发育为雄性。

红耳龟：低温是雄性，高温是雌性

红耳龟作为一种常见的爬行动物，其性别发育具有独特的温度依赖型性别决定（TSD）机制——指的是在孵化过程中，某一阶段（温度敏感时期）的孵化温度可以最终决定幼龟的性别。

红耳龟

（图片来源：veer图库）

红耳龟性腺发育的共有三个阶段：双向发展期、性别决定期和性别发育期。

在红耳龟的温度敏感时期（性别决定期）时，温度可以决定性腺的发展方向。高温（如31°C）倾向于产生雌性后代，低温（如26°C）则倾向于产生雄性后代。

从红耳龟到鳄鱼，从某些种类的蛇到蜥蜴，越来越多的动物被发现具有这种独特的性别决定方式。

蜥蜴一家

（图片来源：veer图库）

那么，温度究竟是如何施展它的“魔法”，在生命的起点上悄然决定了一个个新生命的性别呢？

发现了温度决定性别的底层机制！

在此前，已有研究表明，高温（31°C）会导致红耳龟体细胞内的钙离子增加。也就是说，钙离子进入了性腺体细胞，从而激活了一种叫做pSTAT3的转录调控因子，pSTAT3又抑制了表观因子Kdm6b的表达，进而抑制雄性性别决定基因Dmrt1的表达，最终促龟蛋向雌性发育。而在低温环境下，pSTAT3水平低，红耳龟发育为雄性。

温度依赖型性别决定的分子模型

（图片来源：参考文献1）

但是雌性性别决定的基因调控途径还不清楚。

最近，中国科学院动物研究所杜卫国团队则最新发现：温度诱导pSTAT3信号决定红耳龟雌性性别发育。

研究人员发现，在这个过程中，有两个重要的分子在起作用：pSTAT3和FoxI2。pSTAT3是一种转录因子，它可以帮助控制其他基因的开关。FoxI2是一个与性别决定有关的基因。

当温度高的时候（31℃），pSTAT3和FoxI2在红耳龟的性腺中都活跃了起来，这会导致红耳龟发育成雌性。但如果温度低（26℃），pSTAT3就不那么活跃，FoxI2也不工作，红耳龟就会发育成雄性。

科学家们还做了一些实验来测试pSTAT3的作用。他们通过用药物来调控pSTAT3的活性发现，在31℃（雌性温度）下抑制pSTAT3，或者在26℃（雄性温度）下激活pSTAT3，均会诱导胚胎发生性别逆转。这表明，pSTAT3对性别发育有很大的影响。

为了进一步证实这一点，科学家们还做了一个实验，叫做染色质免疫共沉淀实验。实验显示，在高温（31℃，雌性温度）下，pSTAT3蛋白会高度富集于Foxl2启动子（基因表达的启动功能区）区域，而在低温（26℃，雄性温度）下，通过药物激活pSTAT3后，它也能与FoxI2的启动区域结合。这说明，pSTAT3确实能够控制FoxI2基因的表达。

最后，科学家们还发现，通过人为地增加或减少FoxI2的表达，可以逆转由pSTAT3活性变化引起的性别变化。比如，在高温（31℃）下，如果pSTAT3被抑制导致红耳龟从雌性变成雄性，那么通过增加FoxI2的表达，可以恢复红耳龟的雌性特征。同样，在低温（26℃）下，如果通过药物激活pSTAT3导致红耳龟从雄性变成雌性，那么通过减少FoxI2的表达，可以恢复红耳龟的雄性特征。

红耳龟温度依赖型性别决定的雌性信号通路

（图片来源：中国科学院动物研究所）

总得来说，这个研究揭示了温度如何通过影响pSTAT3和FoxI2的活性来决定红耳龟的性别。这是一个非常有趣的发现，因为它展示了环境因素如何直接影响生物的性别发育。

结语

这项研究发现了pSTAT3在雌性和雄性通路之间的决定过程中的关键作用，为全面破译环境依赖型性别决定（ESD）机制指明了方向，也为我们理解生物性别决定和发育过程提供了不一样的角度。未来，这项研究成果甚至还可以为难以繁衍的濒危野生动物保护和我们人类的生殖健康提供有价值的参考！

参考文献

1、Weber C, Zhou Y, Lee JG, Looger LL, Qian G, Ge C, Capel B. Temperature-dependent sex determination is mediated by pSTAT3 repression of Kdm6b. Science. 2020 Apr 17;368(6488):303-306. doi: 10.1126/science.aaz4165. PMID: 32299951.

2、Wu P, Wang X, Ge C, Jin L, Ding Z, Liu F, Zhang J, Gao F, Du W. pSTAT3 activation of Foxl2 initiates the female pathway underlying temperature-dependent sex determination. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Sep 10;121(37):e2401752121. doi: 10.1073/pnas.2401752121IF: 9.4 Q1 . Epub 2024 Sep 3. PMID: 39226347; PMCID: PMC11406301.