摘要：决定我们性别的，除了教科书里那对经典的XY染色体，还可能是什么？一个基因？一种激素？如果告诉你，答案可能就藏在你母亲孕期的餐盘里，甚至与一种我们再熟悉不过的微量元素——铁，息息相关，你会不会觉得不可思议？

引言

决定我们性别的，除了教科书里那对经典的XY染色体，还可能是什么？一个基因？一种激素？如果告诉你，答案可能就藏在你母亲孕期的餐盘里，甚至与一种我们再熟悉不过的微量元素——铁，息息相关，你会不会觉得不可思议？

这不是科幻小说的情节。6月4日《Nature》发表的一项颠覆性研究“Maternal iron deficiency causes male-to-female sex reversal in mouse embryos”，就为我们揭开了这个惊天秘密：在小鼠实验中，母体在孕期严重的铁缺乏，竟然能让本应发育成雄性的鼠宝宝，“逆天改命”，最终以雌性的身份降生。

这一发现如同一道闪电，瞬间击穿了发育生物学、表观遗传学与营养代谢学之间的壁垒。它将雄性“总开关”Sry基因、一把名为H3K9me2的“表观遗传锁”、以及一位需要“铁”作为工具才能开锁的“锁匠”KDM3A酶，串联成一个完整而震撼的故事。它不仅挑战了我们对性别决定的传统认知，更将一个看似简单的营养问题，与生命的底层发育程序紧密相连，为我们理解人类“性别决定障碍”（DSD）等复杂疾病提供了全新的视角。

性别之谜的“总开关”与神秘的“钥匙管理员”

在哺乳动物的世界里，性别的决定权通常掌握在一条著名的染色体上——Y染色体。在这条染色体上，有一个被称为“性别决定基因”的王者——Sry基因 (Sex-determining region Y gene)。在小鼠胚胎发育的第10.5天到12.5天（E10.5-E12.5）这个极短的时间窗口内，Sry基因必须被精准唤醒。它就像一个“雄性程序”的总开关，一旦启动，胚胎的性腺就会朝着睾丸 (testis) 的方向发育；如果它保持沉默，性腺则会默认发育成卵巢 (ovary)。

然而，启动Sry这个总开关并非易事。它的“开关”上覆盖着一把“分子锁”。这把锁，在表观遗传学 (epigenetics) 领域被称为组蛋白甲基化 (histone methylation)，具体来说，是组蛋白H3第九位赖氨酸的二甲基化修饰，即H3K9me2。H3K9me2是一种强效的异染色质 (heterochromatin) 标记，它会把DNA紧紧地包裹起来，让基因无法被读取，堪称“基因沉默封印”。

为了启动Sry，就必须解开这把H3K9me2锁。而负责开锁的“钥匙管理员”，是一种名为KDM3A的酶。KDM3A是一种组蛋白去甲基化酶 (histone demethylase)，它的唯一使命，就是在正确的时间、正确的地点，精准地铲除Sry基因启动子区域的H3K9me2“封印”，从而激活Sry的表达。此前的研究已经证实，如果敲除了KDM3A，雄性小鼠就会因为Sry无法启动而发育成雌性。

故事到这里，似乎很完美：Sry是开关，H3K9me2是锁，KDM3A是开锁的管理员。但一个关键问题悬而未决：这位管理员KDM3A，需要用什么“工具”来开锁呢？

犯罪现场的铁证——“前睾丸细胞”正在疯狂囤铁！

KDM3A属于一个庞大的酶家族——JmjC家族。这个家族的所有成员，它们的活性都有一个共同的、绝对的需求：它们需要一个二价铁离子 (Fe²⁺) 作为辅因子 (cofactor)。没有Fe²⁺，KDM3A就像一个没有工具的锁匠，面对H3K9me2这把分子锁束手无策。

这立刻引出了一个大胆的假说：在性别决定的关键时期，胚胎性腺细胞是否会特意富集铁，以确保KDM3A能够顺利工作？

为了验证这一点，研究人员将目光投向了小鼠胚胎发育的第11.5天（E11.5），也就是Sry基因表达的峰值时期。他们利用一种名为NR5A1的蛋白质作为分子标记，从胚胎的性腺和中肾组织中，精准地分离出了未来将决定性别的性腺体细胞 (gonadal somatic cells)。这些NR5A1阳性的细胞（NR5A1⁺），在雄性胚胎中正是未来要分化为前支持细胞 (pre-Sertoli cells) 的关键群体，也是Sry基因表达的主要场所。

接下来，就是见证奇迹的时刻。通过实时定量PCR (RT-qPCR) 技术，研究人员检测了这些细胞中与铁代谢相关的基因表达水平。结果令人震惊：

铁吸收基因火力全开：负责通过转铁蛋白吸收铁的Tfrc基因和负责通过铁蛋白吸收铁的Scara5基因，在NR5A1⁺细胞中的表达量远高于其他细胞。

Fe²⁺生产基因全面激活：负责将Fe³⁺还原为Fe²⁺的Steap3基因、负责运输Fe²⁺的Slc11a2 (DMT1) 基因、以及通过降解血红素和铁蛋白来释放Fe²⁺的Hmox1和Ncoa4基因，其表达水平均显著上调。

铁排出基因偃旗息鼓：与此形成鲜明对比的是，负责将铁离子泵出细胞的Slc40a1 (FPN) 和Heph基因，在NR5A1⁺细胞中的表达量反而更低。

这一系列证据描绘了一幅“疯狂囤铁”的画面，在性别决定的十字路口，这些关键的NR5A1⁺细胞正在拼命地“开源节流”——一方面打开所有大门疯狂吸收铁，并将其转化为可用的Fe²⁺；另一方面则紧紧关闭出口，防止铁的流失。

为了让证据更直观，研究人员使用了免疫荧光染色 (immunofluorescence)。在E11.5的胚胎切片上，他们看到，负责吸收铁的TFR1和SCARA5蛋白，以及负责生产Fe²⁺的NCOA4和HO1蛋白，在性腺组织中的信号强度远超其他组织（除了作为储铁器官的肝脏）。更重要的是，这些蛋白与NR5A1或GATA4（另一种性腺体细胞标记）的信号完美重合，证实了这些活动就发生在目标细胞群中。

最后，研究人员拿出了终极武器——电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)，直接测量细胞内的铁含量。结果一锤定音：在E11.5时，NR5A1⁺细胞中的总铁含量是旁边NR5A1阴性细胞的1.8倍！

所有的证据都指向一个结论：在雄性性别决定的关键窗口，前支持细胞会主动、大量地积累Fe²⁺。这绝非偶然，而是一个为即将到来的Sry基因激活所做的、精心策划的“后勤准备”。铁，正是这场性别决定大戏中的关键资源。

釜底抽薪——当“铁”被夺走，性别天平开始倾斜

既然已经证实了铁在关键时刻的富集，那么下一个顺理成章的问题就是：如果人为地阻止这个过程，会发生什么？这就像在战争最关键的时刻，切断前线的弹药补给。

研究人员设计了一个遗传学实验。他们构建了一种特殊的条件性敲除 (conditional knockout, cKO) 小鼠。这些小鼠携带了一个被“锁”住的Tfrc基因（编码TFR1蛋白，是细胞吸收铁的最主要通道）。只有在注射一种名为他莫昔芬 (tamoxifen) 的药物后，这个“锁”才会被打开，导致Tfrc基因在特定的细胞中被删除。

他们在小鼠胚胎发育的第8.5天（E8.5），也就是性别决定开始之前，给怀孕的母鼠注射了他莫昔芬。这样，Tfrc基因就在胎儿的性腺体细胞中被精准地“剪掉”了。我们称这些胚胎为Tfrc-cKO胚胎。结果不出所料：

铁含量急剧下降：在E10.8的Tfrc-cKO胚胎性腺中，用于检测活性Fe²⁺的荧光探针FeRhoNox-1信号变得极其微弱。到了E11.5，通过ICP-MS检测，这些细胞的总铁含量骤降至正常细胞的一半左右。

“基因沉默封印”卷土重来：铁的缺失立即使得KDM3A这位“锁匠”失业。免疫荧光染色显示，Tfrc-cKO胚胎性腺中的H3K9me2水平显著升高。定量分析更是表明，H3K9me2的水平几乎是正常细胞的两倍！ 这意味着Sry基因上的那把“分子锁”不仅没被解开，反而被锁得更紧了。

Sry表达一落千丈：没有了KDM3A的开锁服务，Sry基因的激活受到了严重阻碍。mRNA定量分析显示，Sry的表达量下降到了正常水平的一半。免疫荧光图像中，SRY蛋白的荧光强度也变得暗淡。通过染色质免疫共沉淀 (ChIP-qPCR) 技术，研究人员直接检测了Sry基因启动子区域的H3K9me2水平，发现其富集程度比对照组高出近两倍。这是铁缺乏导致Sry基因被表观遗传沉默的直接证据。

那么，这一系列的分子事件，最终会如何体现在小鼠的性别上呢？研究人员将这些Tfrc-cKO小鼠饲养至成年。在39只XY染色体的雄性小鼠中，出现了令人震惊的结果：

6只发生了完全的性别逆转，它们虽然拥有XY染色体，但外部和内部生殖器官却完全是雌性特征，拥有两个卵巢。

1只发生了部分的性别逆转，体内同时拥有一个睾丸和一个卵巢。

这是一个里程碑式的发现！它在活体动物模型中，完整地构建了“TFR1介导的铁吸收 → 细胞内Fe²⁺水平 → KDM3A活性 → Sry基因H3K9me2去甲基化 → Sry基因表达 → 睾丸分化”*这样一条清晰、完整的因果链。切断这条链的任何一环，都可能导致雄性性别决定的失败。

体外模拟风暴——在培养皿中上演的“性别逆转”大戏

活体实验虽然有力，但影响因素复杂。为了更精准地操控变量，研究人员建立了一个体外性腺培养 (in vitro gonad culture) 系统。他们将E10.8的胚胎性腺（此时尚未分化）剥离出来，放在培养皿中进行培养。

在这个可控的“微型子宫”里，他们加入了一种名为去铁胺 (deferoxamine, DFO) 的化学物质。DFO是一种强大的铁螯合剂 (iron chelator)，像一块化学磁铁，能把培养基和细胞中游离的铁离子全部“吸走”。

第一步：验证铁被成功去除。ICP-MS检测显示，经过DFO处理后，性腺NR5A1⁺细胞中的铁含量降低到了正常水平的约40%。同时，细胞内储存铁的铁蛋白（H-ferritin 和 L-ferritin）水平也降至正常水平的五分之一，说明细胞的铁储备已基本耗尽。

第二步：观察分子层面的变化。和体内的Tfrc-cKO实验结果如出一辙，DFO处理导致性腺细胞中的H3K9me2水平翻倍，而Sry基因的表达则暴跌至正常水平的五分之一！

第三步：见证最终的结局。当这些性腺在培养皿中发育43.2小时后，奇迹发生了。在正常的XY性腺中，细胞表达的是雄性标记SOX9。但在经过DFO处理的XY性腺中，SOX9销声匿迹，取而代之的是，接近90%的细胞开始表达雌性标记FOXL2！ 这意味着，在培养皿中，仅仅因为缺铁，雄性性腺就几乎完全“叛变”，转而走上了雌性的发育道路。

为了证明这一切确实是“缺铁”惹的祸，研究人员做了两个精彩的“救援实验”：

铁回补实验：在加入DFO的同时，再额外补充大量的铁（以柠檬酸铁铵 (FAC) 的形式）。结果，雄性发育完全恢复，SOX9正常表达。这证明了DFO的作用是特异性地通过螯合铁来实现的。

强制表达Sry实验：他们使用了一种携带Hsp-Sry转基因的小鼠，这种小鼠的Sry基因可以在热休克等刺激下被强制打开，绕过了上游的KDM3A调控。当用这种小鼠的性腺进行DFO处理时，即使缺铁，Sry依然被强制表达，雄性发育也得到了恢复。这雄辩地证明了，铁缺乏导致性别逆转的根本原因，就是内源性Sry基因的表达失败。

这一系列的体外实验，揭示了铁在Sry激活中的“速率限制”作用。细胞内的铁含量必须达到一个阈值（大约是正常水平的40%以上），KDM3A才能有效工作，Sry才能被激活，雄性性别决定才能发生。低于这个阈值，性别的大厦将轰然倒塌。

走向现实——母亲的餐盘，真的关乎孩子的性别发育

至此，所有的证据都来自于基因工程或化学药物处理。那么，一个更贴近现实的问题是：母亲在怀孕期间的饮食，如果铁摄入不足，是否也会产生同样的影响？

为了回答这个问题，研究团队进行了两项关键的体内模拟实验。

实验一：药物模拟孕期缺铁

他们给怀孕母鼠口服一种临床上使用的铁螯合剂——地拉罗司 (deferasirox, DFX)，时间窗选在胚胎发育的第6天到第10天，正好覆盖了性别决定的准备期。

这些母鼠生下的胎儿出现了明显的贫血症状，体色苍白。对其性腺细胞进行分析，发现铁蛋白水平显著降低，Sry的表达水平也下降到了正常胚胎的约60%。最终，在72只出生的XY小鼠中，有5只（约7%）发生了不同程度的性别逆转（4只完全逆转，1只部分逆转）。

实验二：饮食诱导的终极挑战

这是整个研究中最具现实意义的一步。研究人员不再使用任何药物，而是采用了最直接的方式：低铁饮食 (iron-deficient diet, IDD)。他们让雌性小鼠在交配前四周和整个孕期，都食用特制的低铁饲料。

有趣的是，对于正常的野生型小鼠，即便母体因为低铁饮食而出现贫血，其XY后代也都能正常发育成雄性。这说明生物体强大的稳态调节 (canalization) 机制在起作用，它能缓冲一定的环境压力。

于是，研究人员引入了一个“易感”的遗传背景。他们使用了一批Kdm3a杂合突变（Kdm3a⁺/⁻） 的小鼠。这些小鼠只有一个正常的Kdm3a基因，其“开锁”能力本身就打了折扣，但尚不足以在正常情况下引发问题。

现在，他们将“轻微的遗传缺陷”与“环境压力”**结合起来：让Kdm3a⁺/⁻的雌鼠食用低铁饮食，然后观察其后代的性别发育。结果令人震惊：

在饮食正常的对照组中，60只Kdm3a⁺/⁻的XY后代全部正常发育成雄性。

但在接受了低铁饮食的实验组中，43只Kdm3a⁺/⁻的XY后代里，有2只（约4.7%）发生了完全的性别逆转，出生时是拥有卵巢的“雌性”！

分子层面的分析也验证了这一“双重打击”的效果。

与正常饮食的野生型小鼠相比，低铁饮食让野生型胚胎的Sry表达下降到了约70%。

而对于Kdm3a⁺/⁻胚胎，低铁饮食使其Sry表达进一步骤降至正常水平的约50%。

相应的，H3K9me2的“沉默封印”水平，在“Kdm3a⁺/⁻ + 低铁饮食”组中达到了最高峰。

这项实验展示了基因-环境相互作用 (Gene-Environment Interaction) 的经典范例。它证明，母体的膳食铁缺乏，作为一个环境因素，确实能够穿透胎盘屏障，影响胎儿性腺的表观遗传状态，最终在特定的遗传背景下，导致雄性性别决定的失败。

这项研究的意义，远远超出了小鼠实验室的范畴。它像一颗投入平静湖面的石子，在多个领域激起了层层涟漪。

孕期营养，远比想象中更重要！

这项研究为“孕期补铁”提供了迄今为止最深刻的生物学注解。全世界约有35.5%的孕妇患有不同程度的贫血，其中缺铁性贫血是主因。过去，我们强调补铁，更多是为了预防母体贫血、保障胎儿的普遍生长发育和神经系统健康。

而现在，这项研究告诉我们，在孕早期（尤其是性别决定的关键窗口期），充足的铁摄入，对于确保雄性胎儿正常的性别分化，也可能扮演着至关重要的角色。它警示我们，孕期营养绝非小事，它可能直接影响到生命最底层的发育编程。对于有性别决定障碍 (DSD) 家族史或携带相关风险基因的家庭，孕期维持充足的铁水平或许尤为关键。

DSD诊断的新思路

性别决定障碍 (DSD) 是一类复杂的先天性疾病，其病因往往难以确定。许多46,XY DSD患者找不到明确的基因突变。这项研究提示，当临床医生面对一个病因不明的DSD病例时，除了进行基因筛查，或许还应该回顾和询问母亲在孕早期的营养状况，尤其是是否存在严重的缺铁性贫血史。

这为DSD的病因学研究引入了“环境因素”和“表观遗传”的变量，可能有助于解释一部分目前无法解释的病例，并为疾病的风险评估和预防提供新的方向。例如，对于一些已知的罕见病，如范可尼贫血 (Fanconi anaemia) 和戴-布二氏贫血 (Diamond-Blackfan anemia)，已有报道它们与DSD风险相关，而这项研究可能为其背后的部分机制提供了线索。

一片“营养表观遗传学”的蓝海

基础研究的拓展：这项研究打开了“营养表观遗传学 (Nutritional Epigenetics)”在发育生物学领域应用的大门。铁是KDM3A的辅因子，那么其他微量营养素呢？例如，锌是许多DNA结合蛋白的必需品，维生素B族（如叶酸）是DNA甲基化的关键原料。这些营养素的缺乏或过量，是否也会通过影响表观遗传修饰，从而调控其他关键的发育过程？这无疑是一个充满机遇的新兴研究领域。

精准营养与诊断：未来，我们或许可以开发出更精准的孕期营养产品。不再是千篇一律的补充剂，而是针对携带特定遗传风险（如KDM3A或其他表观遗传相关基因的微小变异）的孕妇，提供在关键发育窗口期的、定制化的营养干预方案。

新药研发与疾病模型：KDM3A-Sry调控轴的明确，为理解DSD提供了一个清晰的分子靶点。基于此，可以开发新的筛选平台，寻找能够稳定KDM3A活性或调节铁代谢平衡的小分子药物。同时，这个“饮食诱导的性别逆转”小鼠模型，也为研究基因-环境互作如何导致发育性疾病提供了一个绝佳的工具。

从一个关于Sry基因如何被激活的基础科学问题出发，Makoto Tachibana团队带领我们完成了一场跨越分子、细胞、个体和群体的奇妙探索。他们抽丝剥茧，最终揭示了一个简单而深刻的真理：在雄性性别决定的黎明时刻，前支持细胞会主动富集铁离子，这些铁离子作为辅因子，激活了KDM3A酶，使其能够擦除Sry基因上的H3K9me2抑制性标记，从而启动Sry的表达，最终引导性腺走向雄性的命运。母体严重的铁缺乏，会打破这一精密的平衡，导致Sry激活失败，从而在部分雄性胚胎中引发向雌性的性别逆转。

这项研究不仅是一次知识的突破，更是一次观念的刷新。它让我们再次敬畏于生命的精妙与脆弱，也让我们更深刻地理解到，我们与环境、与我们所摄入的每一种营养物质之间，存在着多么深刻而古老的联系。

参考文献

Okashita N, Maeda R, Kuroki S, Sasaki K, Uno Y, Koopman P, Tachibana M. Maternal iron deficiency causes male-to-female sex reversal in mouse embryos. Nature. 2025 Jun 4. doi: 10.1038/s41586-025-09063-2. Epub ahead of print. PMID: 40468068.

责编|探索君

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