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Nature重磅发现:母亲孕期缺铁,竟会让儿子变“女儿”?

2025-06-09
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孕妇通常被建议补铁,以防止怀孕期间常见的“缺铁性贫血”,而一项最新的 Nature 研究显示,孕期缺铁的可能会对胎儿的性别发育产生深远影响——孕期小鼠缺铁,竟会导致性染色体为 XY 的小鼠胚胎发育出卵巢!


2025 年 6 月 4 日,大阪大学的立花诚(Makoto Tachibana)团队在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为:Maternal iron deficiency causes male-tofemale sex reversal in mouse embryos 的研究论文


这项研究发现,怀孕小鼠缺铁,会导致其腹中小鼠胚胎从雄性向雌性的性别逆转——具有 XY 染色体的雄性小鼠发育出卵巢。这一重磅发现揭示了哺乳动物的铁代谢与性别决定之间存在关联。


铁元素,特别是二价铁离子(Fe²⁺)对于生命至关重要,众所周知,它是负责运输氧气的血红蛋白的核心。而这项最新研究揭示了铁的一个全新关键角色——激活雄性性别决定基因的“分子钥匙”。


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在哺乳动物(包括人类和小鼠)中,性别由性染色体决定:XX 为雌性,XY 为雄性。但实际上,染色体只是蓝图,真正的性别分化需要精确的基因表达程序。


对于雄性胚胎,位于 Y 染色体上的 Sry 基因是启动睾丸发育的“总开关”。它只在胚胎发育的特定时间窗口(在小鼠中约E10.5-E12.5天),在性腺的特定细胞(前支持细胞)中短暂而强烈地表达,指挥性腺向睾丸方向发育。也就是说,对于携带 XY 染色体的人,如果 缺失了 Sry 基因,那么他看起来是女性。如果将 Sry 基因导入雌性小鼠基因组中,那么它将发育为雄性。


铁是雄性性别决定基因表达的关键


研究团队发现,雄性性别决定基因 Sry 的激活并非自动发生。它的启动子区域在激活前被一种名为 H3K9me2 的组蛋白修饰标记所“封印”,导致该基因的抑制转录。要解除这个封印,需要一种叫做 KDM3A 的组蛋白去甲基化酶,而 KDM3A 酶要正常工作,必须结合 Fe²⁺ 作为其催化反应不可或缺的“燃料”或“辅因子”。


那么,研究团队如何一步步揭开真相的呢?


1、铁在雄性决定细胞中富集:


研究团队发现,在雄性小鼠性腺决定的关键时期(E11.5),负责性别决定的体细胞(NR5A1+ 细胞,包含前支持细胞)中,铁代谢相关基因(例如铁摄入基因 Tfrc,铁还原/生成基因 Steap3、Slc11a2、Ncoa4、Hmox1)的表达水平显著高于其他细胞。


免疫荧光和特异性 Fe²⁺ 荧光探针直接观察到,前支持细胞及其细胞核内积累了高水平的活性 Fe²⁺。质谱分析证实,这些细胞的总铁含量是邻近非性别决定细胞的近 2 倍。


2、阻断铁供应,Sry 基因表达翻车:


基因敲除实验: 研究团队在小鼠胚胎性腺体细胞中特异性敲除了关键的铁摄入基因 Tfrc。结果显示,性染色体为 XY 的胚胎,其性腺细胞内的 Fe²⁺ 水平骤降,Sry 基因启动子区域的 H3K9me2 标记显著增加,Sry 基因表达水平大幅降低。


体外培养实验: 将早期胚胎性腺在培养液中用铁螯合剂(DFO)处理,人为制造“缺铁”环境。结果 XY 性腺内的铁含量降至 40%,H3K9me2 水平翻倍,Sry 表达几乎消失。这些本应发育成睾丸的 XY 性腺,90% 转向表达卵巢标志物 FOXL2,发育成了卵巢样结构。补充铁剂或抑制 H3K9 甲基转移酶可以挽救这一表型,证明了问题核心在于缺铁导致的 H3K9 去甲基化失败和 Sry 基因表达沉默。


3、母体缺铁,胎儿遭殃:


药物诱导母体缺铁: 在小鼠胚胎的性别决定窗口期(约E6.5-E10.5)给怀孕母鼠口服铁螯合剂(DFX)。结果,约 7% 的 XY 后代发生了雄性到雌性的性别反转,72 只 XY 后代中,4 只发育出双侧卵巢,1 只发育了一个卵巢和一个睾丸。


饮食诱导母体缺铁: 更贴近现实的是,让母鼠在孕前 4 周和整个孕期食用低铁饮食。单独的低铁饮食对性别决定无影响。然而,当母鼠携带一个对自身无害的 Kdm3a 基因功能缺失杂合突变时(导致去甲基化能力减弱),低铁饮食导致了约 5% 的 XY 后代发生雄性到雌性的性别反转,43 只 XY 后代中,2 只发育出双侧卵巢。


这些结果证明了母体的铁营养状态与遗传背景共同作用,影响后代的性别决定。


铁代谢与性别决定


总的来说,这项研究确立了铁代谢在哺乳动物的雄性性别决定中的核心作用:


1、铁是表观遗传调控的关键因子: Fe²⁺ 是组蛋白去甲基化酶 KDM3A 的必需辅因子。

2、铁-KDM3A 信号轴驱动雄性发育: 在雄性性腺决定期,前支持细胞主动富集 Fe²⁺,驱动 KDM3A 去除 Sry 基因启动子上的抑制性标记 H3K9me2,从而激活 Sry 基因表达,启动睾丸发育程序。

3、母体铁状态影响胎儿发育: 母体严重缺铁,可通过降低胎儿性腺可利用铁水平,损害 KDM3A 活性,从而抑制 Sry 基因表达,最终可能导致 XY 胚胎的性腺发育为雌性表型,也就是性别逆转。


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对人类健康的启示


铁缺乏是孕期最常见的营养缺乏症之一,世界卫生组织(WHO)估计影响全球约 35.5% 的孕妇。虽然这项研究是在小鼠模型中进行,但其揭示的生物学机制(铁-表观遗传-基因表达调控)具有高度保守性。这一发现提示了我们,严重的母体铁缺乏可能是人类某些 46-XY 单纯性腺发育不全(性染色体是 XY,但性腺发育不完全男性化)的一个之前未被充分认识的环境风险因素。


该研究也强调了保障孕妇充足铁摄入的重要性,不仅是为了预防母亲贫血和保障胎儿正常造血,还可能关乎胎儿复杂而精密的性别发育程序的正确执行。该研究还提示我们,环境因素(营养)可能通过表观遗传机制直接影响关键发育基因的表达和命运决定。


总的来说,这项发表于 Nature 的研究颠覆了我们对铁元素的传统认知,证实了它还发挥着操控基因表达、决定胚胎性别发育的重要作用,揭示了母体铁营养状态与胎儿性别发育之间令人惊讶的直接联系,为理解性腺发育障碍提供了全新视角,并为孕期营养干预敲响了警钟。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09063-2


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