摘要：全球变暖正在悄然改变自然界一些动物的性别比例. 在澳大利亚北部, 绿海龟孵化沙滩的温度持续升高, 导致孵化出的幼龟中99%为雌性[1]. 随着雄性数量锐减, 这一物种正走向“性别失衡”的生态死角, 繁衍能力遭遇严峻挑战. 龟类作为典型的温度依赖型性别决定(te

全球变暖正在悄然改变自然界一些动物的性别比例. 在澳大利亚北部, 绿海龟孵化沙滩的温度持续升高, 导致孵化出的幼龟中99%为雌性[1]. 随着雄性数量锐减, 这一物种正走向“性别失衡”的生态死角, 繁衍能力遭遇严峻挑战. 龟类作为典型的温度依赖型性别决定(temperature-dependent sex determination, TSD)物种, 其胚胎性腺如同精密温度感受器——但温度如何转化为性别指令?

早期关于TSD的研究推测, 温度感知可能由大脑或性腺旁组织负责, 并通过脑-垂体-性腺轴或旁分泌途径调控性腺分化[2~4]. 然而, 后续的体外培养实验表明, 性腺本身具备感知温度变化并据此决定分化方向的能力[5]. 基于此, 当前研究聚焦于胚胎发育期原始性腺的温度敏感机制. 那么性腺里是谁在充当这个“温度感受器”呢? 以典型的TSD物种红耳龟(Trachemys scripta)为模型——其在26°C孵化时后代全为雄性, 32°C时全为雌性——本课题组近期发表于Science Bulletin的两项研究[6,7], 通过离体细胞筛选和单细胞转录组测序, 在胚胎发育早期的性腺中找到了一群特殊的细胞, 称之为“温敏类固醇生成细胞”(thermosensitive steroidogenic cells, TSSCs). 如图1所示, TSSCs表面装备着温度敏感钾离子通道KCNK3(potassium two pore domain channel subfamily K member 3). 这类通道就像是细胞膜上的“管家通道”, 在正常生理状态下负责让钾离子外流, 维持细胞膜电位的稳定. 当温度降至雄性发育所需的阈值(如26°C)时, KCNK3通道功能被抑制. 钾离子无法顺畅外流而在细胞内积聚, 导致膜电位去极化. 这种电位变化激活了电压敏感型钙离子通道, 促使关键的第二信使钙离子(Ca2+)大量内流. 由此, 物理的温度信号通过离子通道的级联反应, 被精准转化为细胞内的钙离子生物信号.

图1 雄性性别决定分子机制示意图

关键的钙离子信号激活后, 驱动TSSCs合成了醛固酮(aldosterone)而非传统认为主导性别分化的性激素(如睾酮或雌激素), 这是一个意外发现. 单细胞RNA测序结果显示, TSSCs细胞高表达合成醛固酮所需的关键酶, 却几乎不表达制造经典性激素的关键酶. 这暗示了龟类演化出了一条独特的类固醇激素合成路径. 酶联免疫吸附试验进一步证实: 在低温(雄性诱导环境)下, 胚胎性腺中的醛固酮浓度显著升高, 而睾酮、雌二醇等传统性激素的水平则没有显著变化. 为了验证钙信号的核心作用, 本课题组进行了关键的药理学干预: 使用钙通道阻滞剂伊拉地平(isradipine)阻断钙离子内流, 成功抑制了醛固酮的合成; 使用钾通道激动剂花椒碱(sanshool)在较高温度下模拟低温效应(即抑制钾通道功能), 同样能诱导醛固酮分泌增加. 这些实验直接证实钾离子通道和钙离子通道构成的级联反应, 是精准调控醛固酮合成的关键分子开关. 那么, 醛固酮又是如何启动雄性发育的呢? 已知DMRT1(doublesex-mab3-related transcription factor 1)基因是启动睾丸发育、决定雄性命运的核心调控基因. 研究发现醛固酮与其受体NR3C1(nuclear receptor subfamily 3, group C, member 1)结合形成的复合体, 能够直接激活DMRT1基因的表达(图1), 从而启动整个雄性发育程序. 值得注意的是, 龟类的NR3C1受体对醛固酮表现出特异性响应, 这突破了哺乳动物中该受体主要结合糖皮质激素的传统认知. 这种特异性可能根植于脊椎动物类固醇系统的演化历程: 哺乳动物的肾上腺与性腺虽然在成体分离, 但在胚胎期共同起源于肾上腺-性腺原基(adrenogonadal primordium, AGP), 提示二者早期发育中可能共享了类固醇调控通路[8]. 此外, 在部分硬骨鱼类中, 肾上腺皮质激素具有保守的性别调控潜能, 可诱导雌性向雄性的性别逆转[9]. 随着脊椎动物从水生向陆生演化, 肾脏结构的转变(前肾转变为后肾)促使肾上腺与肾脏分离并特化. 在此背景下, 龟类TSD机制中由醛固酮主导的性别决定途径, 可能是陆生适应过程中类固醇信号通路功能分化的结果.

尽管这些分子关系错综复杂, 但研究团队通过严谨的实验证实了这条通路的存在与功能. 在产出1:1性比的28°C条件下, 激活TSSCs钙信号(模拟低温), 结果雄性比例大大增加. 同样在28°C, 直接添加外源醛固酮, 也能显著提高雄性比例. 在产全雄的26°C低温条件下, 阻断醛固酮的合成或者阻断NR3C1受体, 就能成功诱导相当一部分胚胎发育成雌性. 这些强有力的干预实验证明, 这条“温度→离子通道→钙信号→醛固酮→NR3C1受体→DMRT1基因→雄性”的通路, 确实是温度决定龟类性别的核心机制.

这项研究首次完整解析了温度依赖型性别决定的分子通路, 从性腺内特化的“温度计”细胞(TSSCs)感知环境变化, 到离子通道将物理信号转化为生物化学信号(Ca2+), 进而驱动非经典性激素醛固酮的合成, 最终通过特异性受体激活雄性决定基因DMRT1. 我们的工作阐明了TSD的一个核心分子机制.

参考文献

[1] Lockley E C, Eizaguirre C. Effects of global warming on species with temperature-dependent sex determination: bridging the gap between empirical research and management. Evolary Appl , 2021 , 14: 2361 -2377

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[3] Gutiérrez-Ospina G, Jiménez-Trejo F J, Favila R, et al. Acetylcholinesterase-positive innervation is present at undifferentiated stages of the sea turtle Lepidochelis olivacea embryo gonads: implications for temperature-dependent sex determination. J Comp Neurol , 1999 , 410: 90 -98

[4] Merchant-Larios H, Fierro I V, Urruiza B C. Gonadal morphogenesis under controlled temperature in the sea turtle Lepidochelys olivacea. Herpetol Monogr , 1989 , 3: 43

[5] Shoemaker-Daly C M, Jackson K, Yatsu R, et al. Genetic network underlying temperature-dependent sex determination is endogenously regulated by temperature in isolated cultured Trachemys scripta gonads. Dev Dyn , 2010 , 239: 1061 -1075

[6] Li J, Ye Y Z, Zheng D, et al. Molecular basis for thermal switch of temperature-dependent sex determination in a turtle species. Sci Bull , 2025

[7] Ye Y Z, Li J, Li W, et al. Transcriptional control of male-specific pathway in temperature-dependent sex determination. Sci Bull , 2025

[8] Bland M L, Desclozeaux M, Ingraham H A. Tissue growth and remodeling of the embryonic and adult adrenal gland. Ann New York Acad Sci , 2003 , 995: 59 -72

[9] Goikoetxea A, Todd E V, Gemmell N J. Stress and sex: does cortisol mediate sex change in fish?. Reproduction , 2017 , 154: R149 -R160

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来源：小夏的科学世界