通过 METALoci 的染色质空间分析揭示了决定性别的三维调控中心

基因组形态如何帮助决定性别

每一种哺乳动物在发育早期都有可以发育为睾丸或卵巢的小型生殖腺。我们长期以来已经知道许多推动向雄性或雌性发育的基因，但对 DNA 在细胞核内的三维折叠如何引导该选择知之甚少。这项研究表明，染色体的物理布局会形成强大的控制中心——三维调控枢纽，帮助决定胚胎生殖腺是成为睾丸还是卵巢，并揭示了参与该决定的新因子和隐藏的开关。

处于十字路口的早期生殖腺

在小鼠早期胚胎中，XX 和 XY 个体的生殖腺在外观和行为上几乎相同。它们处于“二向性”状态，意味着仍可发育为卵巢或睾丸。随后，位于 Y 染色体上的 Sry 基因在 XY 胚胎中爆发式表达，经过 Sox9 基因和信号分子 Fgf9 启动睾丸发育通路；而缺乏 Sry 的 XX 胚胎则启动卵巢基因如 Wnt4 和 Foxl2。作者从这些早期生殖腺中分离出特定的支持细胞，在性别决定前后分别绘制了它们的 DNA 折叠结构和哪些区域处于活跃状态。令人惊讶的是，尽管基因活性发生了剧烈变化，那些最常相互接触的广泛染色体邻域——称为区间和结构域——在未分化与性别特异阶段之间几乎没有改变。

发现隐藏的三维调控枢纽

大尺度折叠稳定而基因活性高度动态之间的不一致提示重要作用可能发生在更精细的尺度上。为此，研究团队开发了 METALoci，一种借用地理学工具来发现城市污染等热点的方法。METALoci 将基因组的小片段视为位置，利用 Hi-C 接触数据根据它们互相接触的频率将这些位置放到虚拟地图上。然后叠加诸如 H3K27ac 的活性化学标记，以识别那些在三维空间中聚集活性增强子与启动子的“热”簇。这些簇，或称 metaloci，作为调控枢纽，其中成组的 DNA 开关与其靶基因协同工作。

性别决定过程中的重接线

全基因组范围内，METALoci 显示这些三维枢纽在生殖腺向卵巢或睾丸分化时被广泛重构。强活性枢纽的数量在分化过程中大致翻倍，强不活跃区的数量亦然，反映出整套基因程序同时被开启与关闭。已知的性别基因呈现出符合直觉的行为：例如 Sox9 在未来的 Sertoli（睾丸）细胞中获得了强活性枢纽，而 Bmp2 在未来的颗粒细胞（卵巢）中取得了活性环境。作者追踪了每个基因的局部环境如何随时间与性别在不活跃与活跃状态之间转换，显示雄性特异基因在睾丸形成过程中通常经历特别显著的调控活性增加。

对关键性别基因的非编码开关

一例引人注目的实例来自 Fgf9，该基因对促进睾丸途径并抑制卵巢途径至关重要。人类和小鼠在 FGF9 有缺陷时可发生男性向女性的性别逆转，但在生殖腺中控制其表达的元件此前不明。利用 METALoci，研究者在计算机中模拟删除 Fgf9 周围的小段 DNA，询问哪些缺失会破坏其三维调控枢纽。结果指向了下游约二十五万碱基的一个大片无基因区。当团队在小鼠中删除跨越该区域大部分的 306 kb 片段时，胎儿睾丸中 Fgf9 的表达约下降了一半。XY 胚胎发育出从混合性卵睾到类似卵巢的生殖腺，密切模拟了完全缺失 Fgf9 的表型——但没有那些全缺失通常伴随的致命肺部缺陷。更小的缺失显示控制功能集中在一个中心的 93 kb 子区，但多个增强子共同分担了这一调控功能，提供了冗余性。

男女身份的共享调控因子

为了解这些枢纽如何连接到更广泛的基因电路，作者将三维图谱与单细胞 RNA 数据结合，重构了调控网络。他们在关键位置发现了已知的性别决定因子，同时也突出了一些此前未与性别决定关联的转录因子。其中 Meis1 和 Meis2 出现为对雄性和雌性分化程序均具有显著“负调控”作用的因子。在基因工程小鼠中的功能测试表明，单独去除 Meis1，或去除四个 Meis1/Meis2 基因拷贝中的三个，会导致 XY 生殖腺中出现部分细胞采纳卵巢样身份，反之某些 XX 细胞则采纳睾丸样身份。这表明 Meis 基因冗余地作为双向的性别身份守护者起作用。

这项工作为何重要

对非专业读者来说，关键信息是：性别决定不仅由你携带哪些基因控制，还受 DNA 的三维折叠方式以及远端调控元件簇如何与靶基因通信的影响。METALoci 揭示了这些隐藏的枢纽，并表明即便整体基因组骨架看似稳定，结构域内部的连线也能发生显著重构以改变细胞命运。通过定位一个对 Fgf9 起到强大控制作用的非编码区域并发现像 Meis 这样的新因子，这项工作为理解性别发育障碍提供了新的线索，并展示了三维基因组映射如何发现传统基因中心方法可能遗漏的关键调控开关。

引用: Mota-Gómez, I., Rodríguez, J.A., Dupont, S. et al. Chromatin spatial analysis by METALoci unveils sex-determining 3D regulatory hubs. Nat Struct Mol Biol 33, 577–589 (2026). https://doi.org/10.1038/s41594-026-01749-z

关键词: 性别决定, 三维基因组, 染色质结构, 基因调控, 非编码 DNA