圖片來源：santia3
睪丸是雄性動物的生殖器官，但鼴鼠卻是一個特例。科學家早已發現，多種鼴鼠的雌性同時擁有卵巢與睪丸。如此奇特的生理結構，是如何出現的？近期，一項發表於《科學》的研究通過分析雌性鼴鼠DNA的三維結構，終於找到了答案。這項研究不僅加深了我們對性發育的理解，還進一步模糊了動物界中的兩性之別。
撰文 | 羅丁豪
在哺乳動物中，基因決定了生物的性別。在發育過程中，攜帶XY染色體的雄性，會表達Y染色體上的SRY基因（又名睪丸決定因子），從而迅速調高睪丸酮（testosterone）的水平，並抑制雌性性徵、促進雄性性徵的出現。攜帶XX染色體的雌性則不同，由於沒有SRY基因的抑制，它們能順利發育出雌性性徵。在大多數情況下，兩性性徵各守其道，互不幹擾。
然而，雌性鼴鼠則有一個離奇的故事，它們中的許多都是「雌雄同體」。已知在至少8個物種的鼴鼠中，雌性既有卵巢，也有睪丸。兩者結合，形成了一種名為卵睪體（ovotestis）的獨特生理結構。雌性鼴鼠卵睪體的睪丸部分，除了不生產精子，正常睪丸的其他功能，都能實現。相比沒有卵睪體的雌性，這些雌性具有更強的攻擊性，長有更強壯的肌肉，還有類似於雄性陰莖的外顯結構。在非交配季節，有些雌性鼴鼠的睪丸酮水平，甚至比雄性還高。
攜帶XX染色體的成年鼴鼠具有卵睪體。（來源：Real et al., 2020）
為了弄清這種奇特結構的發育機制，在一項近期發表於《科學》的文章中，馬克斯·普朗克分子遺傳學研究所和柏林醫學系統生物學研究所的斯特凡·蒙德洛斯（Stefan Mundlos）等人，探究了這些擁有卵睪體的雌性鼴鼠，在基因序列和結構上究竟有什麼「異於常鼠」之處。
DNA三維結構
基因序列可以用A、T、C、G構成的一串字母來表示，它們代表4個不同的鹼基，按照一定規律排列組合。但最近幾十年的遺傳學研究，揭示了一個早該受到重視的問題：DNA不只有序列，還有獨特的三維結構。要想把平均長達1.8米的DNA序列塞進直徑不到10微米的細胞核裡，需要通過組織蛋白（histone）等將DNA序列「綁」起來，壓縮它的體積。
DNA不僅有一維序列，還有三維結構。（來源：E.L. Aiden, Knowable Magazine）
這樣的一個必然結果就是形成了在結構上相近的基因「鄰居」，科學家把它們統稱為拓撲相關結構域（topologically associated domain，TAD）。同一個TAD中的基因之間發生交互作用的頻率，遠遠大於不同TAD之間基因交互的頻率。因此，TAD很可能是基因表達的重要單位，掌控著生物性狀的發育和變化。
考慮到TAD的重要性，蒙德洛斯等人想到，這些「雌雄同體」的鼴鼠，或許在TAD結構的調節上與只有卵巢的鼴鼠不同。於是，他們利用高通量染色體構象捕獲等技術，對伊比利亞鼴鼠（Talpa occidentalis，雌性具有卵睪體）的DNA序列、結構進行了分析。
結果顯示，不論在基因序列還是基因調控序列上，伊比利亞鼴鼠都沒有什麼特別之處，但在DNA的三維結構中，蒙德洛斯與同事找到了一份驚喜。在一個TAD內，一個名為CYP17A1的基因重複了3次。有趣的是，CYP17A1的複製還導致了其增強子（enhancer，激活後能上調基因的轉錄效率，從而增強基因表達）的複製，將CYP17A1的表達翻了好幾番。CYP17A1編碼的是一種能促進雄性激素（androgen）和睪丸酮合成的羥基化酶，因此，三倍於普通鼠的CYP17A1基因，加上複製後的增強子，或許是雌性伊比利亞鼴鼠發育出卵睪體的原因。
不僅如此，蒙德洛斯等人還在伊比利亞鼴鼠的基因內發現了一個基因倒位（inversion），位於一個名為FGF9的基因的調控序列內。這個簡單的倒位，將原本位於另外一個TAD上的基因序列，硬生生地拽到了FGF9所屬的TAD裡，調高了FGF9的表達。而FGF9表達會直接促進雄性性徵的發育。這導致了雌性伊比利亞鼴鼠卵睪體內的FGF9表達水平，與雄性睪丸中的不相上下——這與小鼠之類的哺乳動物形成了鮮明對比：在雌性小鼠的卵巢內，FGF9的表達水平不及雄性睪丸內的三分之一。
基因倒位可以將屬於一個TAD的調控序列「搬運」到另一個TAD裡，從而轉為調控後者的基因表達。（來源：Thomas Splettsotesser；翻譯：羅丁豪）
即然在小鼠體內也有相似的DNA序列，那麼為雌性小鼠量身定製一套「雌雄同體」基因，會不會讓它們發育出與雌性鼴鼠一樣的卵睪體呢？蒙德洛斯等人回到實驗室，在小鼠身上模擬了CYP17A1和FGF9基因序列和調控序列的變化，並發現基因編輯後的雌性小鼠的睪丸酮水平和肌肉強度都變高了。這也進一步說明了，DNA結構在動物發育中具有重要作用。有時，簡單的基因倒位就能導致兩性性徵的劇烈改變。
巧妙的演化
長有卵睪體的伊比利亞鼴鼠的確抓人眼球，但自然選擇注重的是物種存活和繁衍的能力，因此，一個顯而易見的問題就是：鼴鼠的卵睪體，究竟有什麼用處呢？
卵睪體中的睪丸部分，如同雄性睪丸，負責分泌睪丸酮和雄性激素。這兩種激素都能促進動物的攻擊性和增加肌肉質量。而鼴鼠的生活方式則主要依賴於挖土：它們從土裡找吃的，還要在土裡挖出自己的房子。因此，不論雌雄，鼴鼠都有發達的前爪和「退化」的後爪，前爪的肌肉也十分結實。甚至不同於許多哺乳動物，有著六根手指。荷蘭動物學家J·黑克（J. Haeck）指出，雌性鼴鼠具有「中性體質」，或許正是由於鼴鼠艱苦的生活方式。
雌雄同體的北美紅雀（左）和紋鰭魚（右）。來源：Shirley Caldwell（左）、Aquarium Domain.com（右）
鼴鼠的例子也說明了，在演化中，「兩性」並不是可以一分為二的清晰概念。這些鼴鼠並不孤獨，陪伴它們的還有雌雄同體的北美紅雀、南美蜜蜂、紋鰭魚。一些扁蟲甚至會使用陰莖擊劍（penis fencing）的交配方式，交配時，雙方都試圖將自己的陰莖刺入對方皮下進行受精。正如蒙德洛斯所說，「性發育是一個極其複雜的過程」，雌雄同體不過是「自然變化的表現」。鼴鼠們給科學家上了一課：演化不在乎性別。
原始論文：
Real, F., Haas, S., Franchini, P., Peiwen, X. et al. (2020). Science. 09 Oct 2020: Vol. 370, Issue 6513, pp. 208-214. doi: 10.1126/science.aaz2582.
參考材料：
Haeck (1969), Colonization of the mole (Talpa europea L.) in the ijsselmeer polders. Neth. J. Zool. 19, 145–248. doi: 10.1163/002829669X00107.
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