Cell Research | 罗孟成团队发现雄性性别决定新机制
性别决定是最基本的生物发育过程之一，性别也是人类最重要的身份特征。在大多数哺乳动物中，个体性别主要由性染色体决定，因为雄性和雌性都具有同样的常染色体。在过去的30多年中，在哺乳动物中主要揭示了两种性别决定的遗传途径：睾丸决定 (SRY-SOX9-FGF9) 和卵巢促进 (RSPO1-WNT/β-catenin-FOXL2) 途径。以前的研究已经表明，SRY是Y染色体中性别决定所必需的唯一基因。可是，在性别逆转患者(46 XY female) 中，大约只有15% 可归因于SRY的突变。然而，是否存在另一种性染色体基因参与决定性别仍不清楚。有趣的是，由于X染色体的重排导致部分非洲侏儒鼠 Mus minutoides 表现出雄性向雌性 (XY female) 的性别逆转，这提示着哺乳动物X染色体上可能存在雄性性别决定基因。
2021年8月2日，武汉大学罗孟成教授团队（武汉大学医学部2014级临床医学八年制博士占军锋为第一作者）在以Cell Research上发表文章 SDX on the X chromosome is required for male sex determination 。该论文通过一种创新的蛋白质组学方法，在X染色体上鉴定了一个新的雄性性别决定调控因子-SDX，为理解哺乳动物性别决定机制以及人类性别逆转疾病治疗提供了新的理论依据。
该研究改进了一种染色质结合蛋白的筛选与鉴定方法（之前通过该方法筛选到很多关键生殖细胞减数分裂调控因子，其中包括MEIOB, YTHDC1/2等），通过鉴定小鼠胚胎期11.5天 (E11.5, 性别决定关键时期) 性腺相关的染色质结合蛋白，并结合之前关于减数分裂染色质结合蛋白的组学数据，该团队发现了一个可能调控胚胎期性别分化的候选基因：9430086K21Rik（也称为PWWP3B或MUM1L1），基于它在性别决定中独特的作用，研究团队将该基因重命名为SDX (Sex-Determining gene on the X chromosome) 。
首先，研究团队分析了性别决定过程中 SDX 的表达定位模式。结果显示SDX早在雄性性别决定开始时就表达，主要定位于E11.5和E13.5雄性性腺体细胞的细胞核。有趣的是，在胚胎期以及出生后睾丸的支持细胞 (Sertoli cells) 中，SDX均与SOX9共定位。然而，在胚胎期及出生后的卵巢中却未检测到SDX的蛋白表达。这些结果表明SDX可能在性别决定和雄性支持细胞的功能维持中发挥关键作用。
为了揭示SDX在性别决定中的生物学功能，出于对SDX基因可能全敲致死的考虑，研究团队利用C57BL/6 (B6) 小鼠模型来制备条件性基因敲除小鼠，并通过与生殖细胞特异性cre转基因小鼠交配获得了的SDX全身性基因敲除小鼠（SDX-/Y）。表型分析实验表明，大约25%（20只中的5只）的SDX-/Y成年小鼠发生完全性别逆转，并且逆转的雌鼠的生殖系统发育是正常的，然而未逆转的SDX-/Y雄性随着年龄的增长逐渐表现出不同程度的生精缺陷。
接下来，该研究对雄性性别分化过程中的SDX+/Y和SDX-/Y性腺进行了转录组分析。SRY及其下游靶基因SOX9的表达水平在SDX-/Y性腺中显著降低。在性别决定期间，SRY降至野生型对照水平的约30%。在 E13.5的SDX-/Y性腺中，Sox9和AMH的转录水平也显著低于SDX+/Y雄性性腺中的表达水平，表明雄性发育途径发生了障碍。进一步的免疫荧光实验在蛋白质水平也证实了SOX9/AMH表达水平的显著下降。通过对蛋白序列的保守性分析发现，SDX在人类和小鼠中高度保守，进一步的免疫荧光实验显示SDX在人类睾丸中同样与SOX9共定位与支持细胞中，这提示SDX可能也在人类性别决定中发挥关键调控作用。
基于相关研究，该团队提出了哺乳动物性别决定的新模型：在哺乳动物中，X和Y染色体共同确定性别分化的方向，并与常染色体共同作用完成性别分化过程。性别决定由Y染色体上的SRY和X染色体上的SDX共同做出，其中SDX通过促进SRY表达来确保个体朝雄性发育。性别决定领域传统观念认为哺乳动物性别由Y染色体（SRY）决定，没有Y染色体或者缺失SRY基因，个体将发育为默认的雌性。罗孟成团队的这项研究提出了不同的观点，指出X染色体也参与性别决定，没有X染色体上的SDX基因的帮助，Y染色体无法确保个体发育为雄性。
图1. SDX在雄性性别决定中的功能模型（图源自Cell Research）
该论文第一作者占军锋于2014年考入武汉大学医学部临床医学八年制（本博连读）专业，博士研究生阶段致力于泌尿外科方向，并且以第一作者发表SCI论文2篇。
该论文独立通讯作者罗孟成于2016年回国组建生殖发育实验室，研究方向聚焦于哺乳动物性别决定与减数分裂，致力于揭示人类生殖发育缺陷遗传机制，为人类不孕不育诊治提供新理论和新方法。罗孟成博后期间对MEIOB基因的研究工作已得到领域广泛认可，MEIOB基因已经被收录入2020版男性生殖相关基因检测专家共识，作为非梗阻性无精症检测基因之一得到临床的广泛应用。
该论文研究过程中得到了中科院生物物理所李国红研究员，上海生化所童明汉与李劲松研究员，以及武汉大学梁凯威教授的指点与支持。另外，上海国家蛋白质科学中心彭超博士和殷跃博士提供了高超的蛋白质谱技术支持。
欢迎对性别决定与减数分裂研究感兴趣的研究生与博后加入该实验室，期待能将更多的基础研究推向临床应用，为三胎政策做贡献。
团队近两年发表论文如下：
(1) Guan Y, Leu NA, Ma J, Chmátal L, Ruthel G, Bloom J, Lampson M, Schimenti J, Luo M﹡ & Wang PJ﹡, SKP1 drives the prophase I to metaphase I transition during male meiosis, Science Advances, 2020.
(2) Guihua Du#, Xinrui Wang#, Mengcheng Luo#, Weiya Xu, Tao Zhou, Mei Wang, Luping Yu, Lufan Li, Li'e Cai, P. Jeremy Wang, John Zhong Li, Jon M. Oatley*, Xin Wu*, ‘mRBPome capture identifies the RNA-binding protein TRIM71, an essential regulator of spermatogonial differentiation’, Development , 2020.
(3) Junfeng Zhan, Peng Cui, Ziqi Yu, Wei Qu , Mengcheng Luo﹡, SDX on the X chromosome is required for male sex determination, Cell Research, 2021.
(4) Rui Wu, Junfeng Zhan, Bo Zheng, Zhen Chen, Jianbo Li, Changrong Li, Rong Liu, Xinhua Zhang*, Xiaoyan Huang* and Mengcheng Luo*, SYMPK is required for meiosis and involved in alternative splicing in male germ cells, Frontiers in cell and developmental biology, 2021.
(5) Jiong Li, Zhen Chen, Rong Liu, Mengcheng Luo﹡, PSPC1 regulates CHK1 phosphorylation through phase separation and participates in mouse oocyte maturation process, ABBS, 2021.
