当我们在身份表单上勾选“男”或“女”时，是否曾深思过背后隐藏的那个古老而深邃的生物学问题：为什么生物体演化出了不同的性别？性别决定的奥秘究竟何在？

早在亚里士多德时代，他就提出“温度”可能会影响后代的性别。早期还有观点认为睾丸和卵巢的位置以及营养状况可能决定后代性别，这些理论偶尔歪打正着地触及真相。然而直到1905年，科学家Nettie Stevens和Edmund Wilson发现雄性个体的一对性染色体由不同的两条组成，而雌性个体的则由两条相同的染色体组成。由于当时未知这两个染色体的具体信息，他们分别命名为X和Y，这一命名至今沿用。Nettie Stevens当时就敏锐地提出，后代的性别可能与这对性染色体有关。这一理论成为性别决定领域的重要突破，最终也被证实是正确的。生物体性别由染色体组成决定的模式被称为基因型性别决定（GSD, genetic sex determination）。

生物体的性别除受遗传物质调控外，还受到各种环境因素的影响，如温度、营养、外源激素以及位置关系等。其中，温度依赖型性别决定（TSD, temperature-dependent sex determination）是最普遍存在的环境依赖型性别决定类型，常见于两栖类动物和爬行类动物（图1）。例如我们熟悉的巴西红耳龟，当它的胚胎孵化温度低于28℃时，胚胎将来大部分发育成雄性个体；当温度高于30℃时，胚胎将来大部分发育成雌性个体。尽管这一现象多年前已在多种生物中观察到，但该领域中的核心问题即温度如何被感知并转化为性别调控的信号一直没有解决。   

此外，近年来，研究人员在对某些物种的野外观察时发现动物的性别决定具有惊人的可塑性，很多物种并不只由单一的性别决定模式所主导，其上共存多种性别决定模式并且不同性别决定模式之间可以灵活转换。以雪蜥为例，当其从低海拔迁徙至高海拔时，性别决定模式从TSD转向GSD为主。而高山石龙子则相反，其性别决定模式从GSD转变为TSD为主。

图1. 温度依赖型性别决定常见于两栖类动物和爬行类动物

近日，西湖大学唐鸿云团队在《EMBO Journal》发表了题为“Identification of BiP as a temperature sensor mediating temperature-induced germline sex reversal in C. elegans”的最新研究成果。利用模式生物秀丽隐杆线虫（C. elegans），研究人员首次发现温度依赖型性别决定的关键温度感知因子BiP介导线虫生殖腺性别决定并解析不同性别决定模式转换机制。这一原创性发现部分解答了温度依赖型性别决定领域的关键问题，即温度是如何被感知并转化为性别调控信号的。同时也解析了不同性别决定模式之间的相互转换的机制，为研究自然界中生物个体灵活采用不同性别决定模式的策略带来了全新的理解。

文章链接：

https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-024-00197-z

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（一）基因型性别决定和温度依赖的性别决定机制共存于秀丽隐杆线虫

与广泛使用的温度依赖型性别决定动物模型巴西红耳龟相比，秀丽隐杆线虫具有遗传背景清楚、繁殖周期短和遗传操作简单的优势，因此，本研究利用秀丽隐杆线虫对上述关键问题进行探究。秀丽隐杆线虫具有雌雄同体和雄性两种性别，X染色体与常染色体比例决定线虫生殖腺及体细胞的性别，目前尚不清楚雌雄同体线虫是否具有响应温度调控自身性别的能力。研究人员前期对13种不同的野生型线虫进行研究时发现：与常用培养温度20℃相比，在三龄幼虫 (L3) 阶段进行30℃相对高温处理后，野生型虫株ED3017、EG4725和N2背景来源的含有精子特异报告基因的DE90虫株的雌雄同体生殖腺出现了雄性化表型，即应该分化成为卵细胞的生殖细胞发育成为了雄性配子，因此产生了更多的精子。该结果首次证明了这些线虫虫株具有基因型性别决定和温度依赖型性别决定共存现象，因此，可利用这些虫株进一步研究温度如何调控生殖腺性别决定及不同性别决定模式的调控机制。

（二）鉴定到ER分子伴侣蛋白BiP感知温度变化进而调控生殖腺性别决定

既然线虫生殖腺性别决定可以响应温度发生改变，那么这个温度依赖型性别决定领域内一直未被发现的温度感知因子是什么呢？研究人员通过对已知能响应温度变化的基因进行了RNAi筛选，结果显示，敲低内质网关键分子伴侣BiP可以显著促进生殖腺雄性化，并且发现线虫中两个BiP蛋白HSP-4和HSP-3以功能冗余的方式调控性别决定（图2）。BiP是如何感知温度变化呢？该项研究显示，与20℃培养时相比，30℃相对高温导致与待折叠底物结合的BiP明显增加，而显著降低了自由的BiP蛋白，结合BiP（RNAi）导致雄性化的数据，表明高温导致的自由BiP减少引发雄性化表型。有研究显示，相对高温条件下BiP蛋白的表达主要依赖于ire-1和xbp-1，本研究分别对ire-1（lf）和xbp-1（lf）突变体线虫进行相对高温处理后观察到了生殖腺雄性化表型。此外，研究人员也发现过表达BiP蛋白可显著抑制高温诱导的生殖腺雄性化，这些结果进一步支持高温导致自由的BiP不足进而促进生殖腺雄性化这一结论。

图2. 敲低内质网关键分子伴侣BiP可以显著促进生殖腺雄性化

此外，当在其它种属的雌雄异体线虫C. remanei中敲低BiP时，研究人员惊奇地发现，原本只能产生卵细胞的雌性线虫的生殖腺发生雄性化并观察到精子的产生（图3）。这一结果充分说明了BiP调控性别决定的功能具有保守性。

图3. 敲低内质网关键分子伴侣BiP可以诱导雌雄异体线虫C. remanei雌虫产生精子

（三）ER分子伴侣蛋白BiP通过调控TRA-2的降解，将温度转化为性别决定信号

接下来，研究人员想知道温度感知因子如何将温度信号传递给下游的性别决定信号的？遗传上位分析结果显示：BiP很可能直接通过调控性别决定信号通路关键促进雌性化蛋白TRA-2来介导温度对生殖腺性别决定的调控。进一步研究显示BiP和TRA-2蛋白存在直接的相互作用；此外，当敲低BiP表达时可以显著降低TRA-2水平。因此，温度波动通过影响内质网蛋白折叠动态来调控自由BiP水平，继而改变性别决定因子TRA-2的水平实现生殖腺性别转换。

高温导致的BiP下降是如何抑制TRA-2水平呢？研究人员发现30℃相对高温和BiP（RNAi）所诱导的线虫生殖腺雄性化依赖于内质网相关降解途径关键成分P97/CDC48.1、E3泛素连接酶复合物亚基CUL-2和蛋白酶体亚基RPN-10，当下调这些基因表达时可以显著抑制高温及BiP下降所引发的精子过量产生的表型；并且阻断了高温和hsp-4（RNAi）所诱导的TRA-2蛋白水平降低，因此，内质网相关降解途径作为重要的翻译后调控机制在相对高温处理时下调TRA-2蛋白水平促进雄性化（图4）。

图4. BiP作为温度感知因子调控线虫生殖腺性别决定作用机制示意图

（四）基因型性别决定和温度依赖型性别决定之间的转换

在探究GSD和TSD转换的遗传基础时，一个有趣的发现显示，将这一新发现过程中的tra-2或BiP的表达下调时，使原本只采用基因型性别决定的雌雄同体线虫获得了响应温度改变生殖腺性别的能力，即将生殖腺性别决定模式从GSD主导转向TSD为主导；在此基础上突变rpn-10提升tra-2水平后，则可抑制30℃相对高温诱导的生殖腺雄性化，将生殖腺性别决定模式从TSD主导转向GSD为主导。这些数据不仅进一步证明了高温的雄性化属性，更重要的是，证明了下调促雌性分化的基因赋予了线虫响应高温进行性别转换的能力。因此，该研究首次提供了机制性理解不同的性别决定模式如何发生转换（图5）。

图5. 生殖腺不同性别决定模式转化示意图

（蓝线代表了在相对低温条件下生殖腺性别决定信号通路的活性，而红线代表了相对高温条件下的活性）

此外，温度调控性别的生理意义一直不清楚，研究人员发现高温下呈现雄性化表型的雌雄同体线虫与那些不能响应温度变化继而改变生殖腺性别的线虫相比，在30℃下可以产生更多后代。该研究首次通过实验证明线虫生殖腺TSD可以通过调控后代数量方式影响生殖适应力，表明了进化出现TSD可能是动物适应环境的一种策略。

综上，本研究发现了某些特定遗传背景的线虫同时存在生殖腺GSD和TSD；鉴定到了BiP作为温度的直接感知因子，可将温度水平转化为性别决定信号；并且实现了通过遗传操作将生殖腺GSD和TSD互相转换。这项研究回答了温度如何调控性别这一领域内的长期问题；并阐释了生殖腺GSD和TSD互相转换及共存的遗传基础，为不同性别决定模式的转换这一神奇自然现象提供了机制性理解。

西湖大学唐鸿云为本文通讯作者；西湖大学唐鸿云团队的博士研究生时静和盛丹莉以及科研助理郭杰为本文的共同第一作者，其他作者（原唐鸿云团队的科研助理周方圆和吴绍凤）对本研究亦有重要贡献；此外，特别感谢西湖大学生物医学技术中心的老师们对本研究提供的技术支持。感谢吴连锋、申恩志、邵志勇、常兴、蔡尚、李党生和韩珉等专家对本研究给予的建议和帮助。本课题受到科技部重点研发项目、国家自然科学基金、西湖实验室（生命科学和生物医学浙江省实验室）及西湖教育基金会的资助和支持。

唐鸿云团队聚焦于细胞器质量控制的机制和功能研究，尤其关注可携带细胞器的胞外囊泡及细胞间细胞器转移这一前沿领域。通过探索潜细胞器介导的细胞相互交流的机制，研究人员致力于理解这一过程在动物的衰老及衰老相关疾病中的重要作用。

唐鸿云团队为每个人提供个性化的培养方案和优秀的科研文化，欢迎加入生命科学探索之旅，通过大家的努力照亮人类未来之路。

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