2020年10月13日訊/
生物谷BIOON/---鼴鼠的生活環境極端惡劣。作為深入地洞的哺乳動物，它們的前爪多了一根手指，肌肉特別強壯。更重要的是，雌性鼴鼠在保留生育能力的同時，也具有雙性表型。作為哺乳動物的典型特徵，雌性鼴鼠有兩條X染色體，但同時發育出功能性的卵巢和睪丸組織。在雌性鼴鼠中，這種兩種組織類型都結合在一種稱為卵睪體（ovotestis）的器官中，這是這種哺乳動物的一種獨一無二的特徵。
雌性鼴鼠血液中含有大量的睪丸酮雌性鼴鼠的睪丸組織不產生精子，但會產生大量的性激素睪丸酮，也就是說雌性鼴鼠的睪丸酮含量與雄性鼴鼠相似。據推測，這種天然的「興奮劑」使得雌性鼴鼠具有侵略性和發達的肌肉，這對於它們在必須挖洞和爭奪資源的地下生活來說是一種優勢。
如今，在一項新的研究中，來自德國多家研究機構的研究人員報告了導致鼴鼠這種特徵性性發育的遺傳特性。根據這項研究，主要是基因組結構的變化導致了對基因活性的控制發生改變。除了導致睪丸發育的遺傳程序外，這種變化還會激活導致雌性鼴鼠體內雄性激素分泌的酶。相關研究結果發表在2020年10月9日的Science期刊上，論文標題為「The mole genome reveals regulatory rearrangements associated with adaptive intersexuality」。論文通訊作者為馬克斯-普朗克分子遺傳學研究所的Stefan Mundlos教授和Darío G. Lupiáñez博士。論文第一作者為馬克斯-普朗克分子
遺傳學研究所的Francisca M. Real。
圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz2582。
進化的基因組機制Mundlos說，「自達爾文以來，人們普遍認為，有機體的不同外形是基因構成逐漸變化的結果，這些變化可傳遞給後代。但是，DNA的變化及其在有機體外形上的表現是如何具體關聯的，我們又如何才能發現這樣的變化呢？」
為了探究這個問題，這些研究人員首次對伊比利亞鼴鼠（Talpa occidentalis）的基因組進行了完全測序。此外，他們還研究了細胞中基因組的三維結構。在細胞核中，基因及其相關的控制序列形成了相對孤立的調控結構域（regulatory domain），這些調控結構域由大量的不同DNA片段之間經常發生相互作用的區域組成。
Mundlos說，「我們推測，在鼴鼠中，不僅基因本身發生了變化，尤其是屬於這些基因的調控區域發生了變化。」
這些研究人員說，在鼴鼠的進化過程中，不僅DNA中的單個鹼基會發生變化，而且基因組的較大片段也會發生轉移。如果DNA的片段從一個位置移動到另一個位置，就會出現全新的或重新組裝的調控結構域，從而激活新的基因並增強或減弱它們的表達。
睪丸發育程序Lupiáñez說，「哺乳動物的性發育是複雜的，儘管我們對這一過程是如何發生的有了相當好的想法。在某個時間點上，性發育通常朝著一個方向或另一個方向（雄性或雌性）發展。我們想知道進化是如何調節這一系列的發育事件，從而使得我們在鼴鼠身上觀察到的雙性特徵成為可能。」
事實上，當將鼴鼠基因組與其他動物和人類的基因組進行比較時，這些研究人員發現在一個已知參與睪丸發育的區域中存在一個倒位（inversion）---倒置的基因組片段。倒位會導致額外的DNA片段包含在基因FGF9的調控結構域中，從而重新調整對這個基因的控制和調節。論文第一作者、馬克斯-普朗克分子
遺傳學研究所的Francisca Martinez Real博士解釋道，「這種變化除了與雌性鼴鼠體內的卵巢組織發育有關外，還與睪丸組織的發育有關。」
這些研究人員還發現了一個負責雄激素產生的基因組區域---更具體地說，雄激素產生基因CYP17A1---發生三倍重複（triplication）。Real說，「三倍重複給這個基因附加了額外的調控序列---這最終導致雌性鼴鼠卵睪體中雄激素的產量增加，尤其是更多的睪丸酮。」
野生鼴鼠和轉基因小鼠領地性很強的鼴鼠無法在實驗室中飼養，這對這些研究人員的研究工作帶來了極大的挑戰。Lupianez說，「我們必須對野生鼴鼠進行所有的研究。」他和Real花了幾個月的時間在西班牙南部收集他們用於開展實驗的樣本。「然而，這個缺點也成為了我們的這項研究的一個優勢。我們的研究成果不僅局限於實驗動物，還擴展了我們對野生動物的認識。」
這些研究人員通過構建一種模擬在鼴鼠中觀察到的基因組變化的小鼠模型，證實了這兩種基因組突變實際上是導致雌性鼴鼠的這種特殊性發育的原因。在這些轉基因小鼠中，雌性小鼠的雄激素水平與正常雄性小鼠一樣高。它們也明顯比未發生基因修飾的同種動物更強壯。
進化利用遺傳工具箱對於鼴鼠來說，性別之間並沒有那麼明確的界限，相反，雌性鼴鼠在典型的雌性表型和典型的雄性表型之間移動，也就是說，它們是雙性的。
Lupiáñez說，「我們的發現是一個很好的例子，說明基因組的三維結構對進化是多麼重要。自然界利用現有的發育基因工具箱，只是對它們進行重排，以創造出諸如雙性之類的特徵。在這個過程中，其他器官系統和發育不會受到影響。」
Mundlos說，「從歷史上看，雙性（intersexuality）這個詞引起了相當大的爭議。過去和現在都有一種傾向，就是將雙性表型定性為病理狀態。我們的研究強調了性發育的複雜性，以及這一過程如何導致各種各樣的中間表現，這些表現是自然變異的呈現。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Francisca M. Real et al. The mole genome reveals regulatory rearrangements associated with adaptive intersexuality. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz2582.