Nature | 不只是贫血！孕期缺铁的深远影响——为“性别决定障碍”（DSD）提供全新解释

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-06-09 16:35

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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。