Nature重大發(fā)現(xiàn)：孕期缺鐵會影響胎兒性別？
在哺乳動物中，性染色體決定性別：XX為雌性，XY為雄性。而實(shí)際上，真正的性別分化則需要精確的基因表達(dá)程序。對于雄性胚胎，位于Y染色體上的Sry基因是啟動睪丸發(fā)育的“總開關(guān)”。它只在胚胎發(fā)育的特定時間窗口（在小鼠中約 E10.5-E12.5 天），在性腺前支持細(xì)胞中短暫高表達(dá)，指揮性腺向睪丸方向發(fā)育。
一項(xiàng)最新的 Nature 研究顯示，孕期小鼠缺鐵，竟會導(dǎo)致小鼠胚胎從雄性轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩裕?/strong>既往研究表明，鐵在細(xì)胞內(nèi)眾多氧化還原反應(yīng)中發(fā)揮著不可替代的作用，特別是對于JmjC家族組蛋白去甲基化酶而言，亞鐵離子（Fe(2+)）是其維持活性的核心輔因子。該研究首次揭示了母體鐵缺乏如何通過影響胚胎性腺中的鐵代謝和表觀遺傳調(diào)控，導(dǎo)致雄性胚胎發(fā)生性別逆轉(zhuǎn)。
小鼠模型構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
該研究中，科學(xué)家們構(gòu)建了多種小鼠模型，以模擬母體鐵缺乏對胚胎性別決定的影響。首先，他們利用Wt1creERT2小鼠模型，誘導(dǎo)性表達(dá)Cre重組酶，特異性地敲除性腺體細(xì)胞中的鐵攝取基因Tfrc。這種條件性敲除（cKO）模型能夠在胚胎發(fā)育的關(guān)鍵時期（如E8.5）精確地干預(yù)鐵代謝。
圖1. 實(shí)驗(yàn)小鼠模型構(gòu)建
此外，研究者們還引入了Hsp-Sry-tg小鼠模型，通過熱休克蛋白啟動子驅(qū)動 Sry 基因的表達(dá)，用于驗(yàn)證鐵缺乏導(dǎo)致的 Sry 表達(dá)抑制是否是性別逆轉(zhuǎn)的直接原因。
藥物誘導(dǎo)缺鐵：在懷孕小鼠在 E6.5 到 E10.5 期間，每天口服鐵螯合劑去鐵胺（DFX），模擬急性母體鐵缺乏。這種處理方式能夠在短時間內(nèi)顯著降低母體和胚胎的鐵水平。
飲食誘導(dǎo)缺鐵：讓部分懷孕小鼠在孕前 4 周以及整個孕期食用低鐵飲食，直至分娩。這種長期的鐵缺乏處理方式能夠模擬慢性母體鐵缺乏對胚胎發(fā)育的影響。
因此，研究者們能夠在不同的時間尺度和鐵缺乏程度下，系統(tǒng)地研究母體鐵缺乏對胚胎性別決定的影響。
鐵缺乏會導(dǎo)致性腺Sry基因表達(dá)受阻
在體外培養(yǎng)的性腺實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在培養(yǎng)基中加入鐵螯合劑去鐵胺（DFO）時，XY 性腺中的 Sry 表達(dá)顯著降低，甚至幾乎完全消失。進(jìn)一步的分析顯示，DFO 處理顯著增加了 Sry 啟動子上的 H3K9me2 水平，表明鐵缺乏通過抑制 KDM3A 介導(dǎo)的 H3K9 去甲基化，導(dǎo)致 Sry 表達(dá)受阻。
在經(jīng)過DFO處理的XY性腺里，睪丸標(biāo)志物SOX9受到顯著抑制，反而是卵巢標(biāo)志物FOXL2(+)表達(dá)明顯升高。而XX性腺在DFO處理后，未出現(xiàn)顯著變化。后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，Sry基因恢復(fù)表達(dá)后，DFO處理過的XY性腺可以恢復(fù)男性型性腺的分化路徑。這表明，鐵缺乏導(dǎo)致的Sry基因表達(dá)缺失，正是造成性別逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因子。
圖3. 鐵缺乏導(dǎo)致培養(yǎng)性腺中Sry激活受阻
母體鐵缺乏胚胎性別發(fā)生逆轉(zhuǎn)
在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，研究者通過藥物誘導(dǎo)和飲食誘導(dǎo)兩種方式，成功誘導(dǎo)了母體鐵缺乏，并觀察到了顯著的性別逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在DFX處理的母鼠中，部分 XY 胚胎出現(xiàn)了雄性向雌性性別逆轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為出生后的小鼠具有兩個卵巢或一個卵巢和一個睪丸。同樣，在長期食用 IDD 的母鼠中，部分 XY 胚胎也表現(xiàn)出性別逆轉(zhuǎn)，且這種現(xiàn)象在具有特定遺傳背景（如 Kdm3aΔ/+ 雜合突變）的小鼠中更為明顯。
圖4.Tfrc1/21 cKO小鼠發(fā)育情況
鐵缺乏導(dǎo)致性別逆轉(zhuǎn)的分子機(jī)制
從分子層面來看，與Sry基因表達(dá)相關(guān)的早期性腺發(fā)育基因表達(dá)并未受到影響，而Sry基因表達(dá)顯著降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DFO處理導(dǎo)致Sry啟動子區(qū)域的H3K9me2水平近乎翻倍。這表明，鐵缺乏時，KDM3A介導(dǎo)的H3K9去甲基化過程受阻，從而影響了Sry基因的正常表達(dá)。
為了證實(shí)鐵代謝在性別決定中的關(guān)鍵作用，研究人員對Tfrc基因進(jìn)行了條件性敲除。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，Tfrc(1l/2l )敲除后，胚胎性腺細(xì)胞內(nèi)的Fe2?水平顯著降低，H3K9me2水平翻倍，Sry mRNA表達(dá)量減少約一半，SRY蛋白表達(dá)降低了約 50%。
在胚胎發(fā)育階段（E13.5），部分XY Tfrc(1l/2l )敲除胚胎的性腺出現(xiàn)發(fā)育異常，表現(xiàn)為卵巢和睪丸組織混合。成年后檢查發(fā)現(xiàn)，在 39 只 XY Tfrc(1l/2l )敲除小鼠中，有 6 只完全出現(xiàn)雄性向雌性性別逆轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為雙側(cè)卵巢，另有 1 只部分雌性化，一側(cè)為卵巢，另一側(cè)為睪丸。
在胚胎性別決定階段（E6.5 至 E10.5），當(dāng)研究人員給懷孕母鼠口服鐵螯合劑DFX后，約7%的XY后代發(fā)生了雄性到雌性的性別逆轉(zhuǎn)——在72只XY小鼠中，4只發(fā)育出雙側(cè)卵巢，1只發(fā)育了一個卵巢和一個睪丸。
圖5：藥物誘導(dǎo)的母體鐵缺乏導(dǎo)致胚胎性別逆轉(zhuǎn)
在母體低鐵飲食實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓母鼠在孕前 4 周及整個孕期食用低鐵飲食。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)的低鐵飲食對性別決定并無顯著影響。但當(dāng)母鼠攜帶Kdm3a基因雜合突變時，低鐵飲食導(dǎo)致約5%的XY后代發(fā)生性別逆轉(zhuǎn)。在43只XY小鼠中，有2只發(fā)育出雙側(cè)卵巢。
單細(xì)胞 RNA 測序結(jié)果顯示，在E11.5小鼠性腺中，與鐵攝取和Fe2?產(chǎn)生的基因在前Sertoli 細(xì)胞中的表達(dá)更為豐富，而鐵儲存基因則相反。
免疫組織化學(xué)與熒光染色實(shí)驗(yàn)表明，在E11.5小鼠性腺中，鐵攝取相關(guān)蛋白TFR1和Scara5以及Fe2?產(chǎn)生相關(guān)蛋白Ncoa4和HO1的表達(dá)水平較高。熒光探針檢測顯示，E11.5性腺中 Fe2?的熒光信號強(qiáng)度較高，表明性腺細(xì)胞中Fe2?積累較多。ICP-MS 分析結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)——NR5A1(+)細(xì)胞中的總鐵含量比NR5A1(?) 細(xì)胞高1.8倍。
圖6.飲食引起的母體鐵缺乏損害了子宮內(nèi)發(fā)育中的胚胎性別判定途徑
集萃藥康相關(guān)服務(wù)介紹
KO/CKO小鼠是研究分子機(jī)制的有力工具，其模型選擇直接影響科研項(xiàng)目的成敗。集萃藥康的斑點(diǎn)鼠計(jì)劃（Knock-out All Project，KOAP）通過系統(tǒng)敲除熱點(diǎn)基因，成功構(gòu)建了覆蓋腫瘤、代謝、免疫、發(fā)育以及DNA與蛋白修飾等多個研究領(lǐng)域的KO/CKO小鼠資源庫。目前，該計(jì)劃已建成全球規(guī)模最大的基因敲除小鼠資源庫，擁有近3萬個品系，為生命科學(xué)研究與藥物研發(fā)提供核心支撐。
作者：市場中心 小麥
審核：小麥、艾薇
編輯：艾薇
參考文獻(xiàn)
Nature Communications volume 16, Article number: 2185 (2025)
