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溫度依賴型性別決定（temperature-dependent sex determination，TSD）是一種非常有趣的生命現象，性別由胚胎髮育的孵化溫度決定，常見於龜、鱷魚和蜥蜴等爬行動物，但其分子機制一直不清楚。解析TSD機制的關鍵在於弄清楚溫度如何調控性別決定基因的表達？2018年，葛楚天/錢國英/Blanche Capel合作課題組發現，組蛋白去甲基化酶Kdm6b通過激活性別決定基因Dmrt1，啟動紅耳龜雄性性腺分化（Science重大進展丨浙江萬里學院青年教師破解半個世紀的謎團，揭示烏龜性別決定機理——朱冰、藍斐點評）【1,2】。Kdm6b的轉錄或剪輯狀態在鱷魚和蜥蜴上均呈現溫度依賴性【3,4】，提示Kdm6b的這種調控作用極可能具有爬行動物普遍意義。因此，研究溫度如何轉化成生物信號，調控Kdm6b表達，是破譯TSD機制的一個重要突破口。
2020年4月17日，來自浙江萬里學院葛楚天課題組和杜克大學Blanche Capel課題組合作在
Science上發表了題為"Temperature-dependent sex determination is mediated by pSTAT3 repression of Kdm6b"的研究論文，發現高溫通過促進龜性腺體細胞Ca2+內流，激活pSTAT3，抑制Kdm6b表達，繼而抑制Dmrt1表達，最終促進雌性發育；並提出了一個環境依賴型性別決定（ESD）機制的保守調控假說。
鈣離子（Ca2+）參與許多生物感受過程（包括溫度感受），它能通過pCaMKII激活pSTAT3，而pSTAT3又是Kdm6b一個負調控因子，故溫度很可能通過Ca2+-pSTAT3調控Kdm6b表達。為了驗證這一科學假設，合作課題組以紅耳龜為TSD動物模型，進行了多年的合作研究。通過免疫印跡和免疫組化，首先發現pSTAT3在龜未分化性腺中呈現溫度依賴性分佈，產雌溫度特異性表達。ChIP-qPCR顯示，pSTAT3能直接綁定在Kdm6b啟動子區。體外和體內功能實驗表明，對產雌溫度性腺進行兩種pSTAT3抑制劑處理後，Kdm6b和Dmrt1基因表達水平降低，出現了雌性向雄性性逆轉。並且發現敲低Kdm6b能夠回覆由pSTAT3抑制引起的性逆轉。通過體外性腺細胞培養模型揭示了，高溫（產雌溫度）促進性腺體細胞Ca2+內流，激活pSTAT3，而在產雄溫度（低溫）下性腺細胞內Ca2+水平低，pSTAT3維持在較低水平。最後課題組比較分析發現，除Ca2+外 pSTAT3也能被其他一些環境感受因子所激活，如冷誘導RNA綁定蛋白CIRBP（參與鱷龜性別決定）【5】，離子通道蛋白TRPV4（參與鱷魚性別決定）【6】和皮質醇（參與雌雄同體魚的性逆轉）【7】等, 提示pSTAT3-Kdm6b是眾多環境依賴型性別決定（ESD）系統間的保守盒，將環境感受和性別決定通路連接起來。
圖1 TSD工作模型
該研究在前期工作基礎上揭示，高溫（產雌溫度）促進性腺體細胞Ca2+內流，激活pSTAT3，pSTAT3維持在較高水平，直接抑制Kdm6b表達，繼而抑制雄性性別決定基因Dmrt1表達，最終促進雌性發育；低溫（產雄溫度）下，性腺體細胞胞內Ca2+水平低，pSTAT3維持在較低水平，Kdm6b高表達，激活Dmrt1表達，最終導致雄性發育。該項工作闡明瞭龜TSD系統的上游調控機制，為全面破譯龜TSD機制奠定了重要基礎，同時提出了一個新的調控假說—"pSTAT3-Kdm6b保守盒"，為其他眾多ESD機制研究指明瞭方向。
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6488/303
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參考文獻
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4. Deveson IW, Holleley CE, Blackburn J et al. Differential intron retention in Jumonji chromatin modifier genes is implicated in reptile temperature-dependent sex determination. Sci Adv, 2017, 3: e1700731.
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6. Yatsu R, Miyagawa S, Kohno S et al.TRPV4 associates environmental temperature and sex determination in the American alligator.Sci Rep,2015,5:18581
7. Todd E,Ortega-Recalde O, Liu H et al.Stress, novel sex genes, and epigenetic reprogramming orchestrate socially controlled sex change. Sci Adv,2019,5:eaaw7006.
關鍵字: 性腺 sex determination
