雌性，但有睾丸：这种动物的“雌雄同体”是如何炼成的？
雌性鼹鼠的生殖解剖结构、肌肉组织以及攻击性格让其成为研究雌性雄性化（masculinization）现象的最佳模型，同时也证明了我们有时候并不能轻易分辨清雄性和雌性之间的差异。
撰文 | Alejandra Manjarrez
翻译 | 阿金
图片来源：Pixabay
上世纪 80 年代，西班牙格拉纳达大学（University of Granada）遗传学专业的年轻博士生拉斐尔·希门尼斯·梅迪纳（Rafael Jiménez Medina），学会了在西班牙南部田间捕猎难以对付的伊比利亚鼹鼠（Talpa occidentalis）。
当地的鼹鼠猎人教会了他如何捕捉这些攻击性和领地意识都很强的独居动物。它们在伊比利亚半岛的草皮下挖掘地下长廊和迷宫，尤其偏爱那些土质松软、富含蚯蚓的地方，因为蚯蚓是它们最爱的食物。这样的活动对土壤也有益处，能够让土壤充满氧气、相互混合，然而，鼹鼠的存在以及它们在耕地中的频繁活动让农民气愤不已，他们雇佣专门的猎人来除掉鼹鼠。
不过，希门尼斯·梅迪纳捕捉这些地下哺乳动物的动机是另外一种。他的博士课题是可视化并分析鼹鼠的染色体。也就是说，他需要收集、准备和检测的对象包括雄性鼹鼠的睾丸样本。他的实验室工作得到了一个有趣的发现：他所鉴别为雄性的鼹鼠实际上在基因上是雌性，即它们的性染色体是 XX 而非 XY。
如今我们已经知道，这一令人困惑的现象源自雌性鼹鼠生殖器官的奇异构造。不同于大部分只有卵巢的雌性哺乳动物，雌性伊比利亚鼹鼠还拥有睾丸组织，从解剖结构上看与雄性睾丸非常相似，但区别在于雌性的睾丸只产生睾酮而不是精子。雌性鼹鼠的生殖器官既有卵巢也有睾丸部分，被称作卵睾体（ovotestes）。
此外，雌性鼹鼠的阴蒂外还覆盖着一层包皮，外形细长，形似阴茎，它们会通过这一结构排尿。而另外一个独特的解剖结构特征则是，在幼龄期，雌性鼹鼠的阴道口保持闭合状态。
伊比利亚雌性鼹鼠体内外都表现出两种性别特征。
由于这个发现太引人入胜，希门尼斯·梅迪纳在完成博士阶段的工作后，决定暂时搁置染色体分析项目，全身心投入到这种动物神秘的性别发育研究中。他的研究，以及过去几十年来其他同行的研究，将这种只需掌心就能完全包住的小型哺乳动物变成了研究雌性雄性化及其生物机制的模型。
鼹鼠以及其他表现出雄性特征的雌性物种，例如斑鬣狗（Crocuta crocuta），“已经成为雌性雄性化的典型代表，”希门尼斯·梅迪纳团队发表于 2023 年《动物生物科学年度评论》（Annual Review of Animal Biosciences）的文章如此写道，他们详述了研究这种生物解剖结构和行为所获得的成就和挑战。这些特例敦促我们“重新思考生殖生物学领域内对雌性和雄性的定义”。
许多无脊椎动物和鱼类物种的文献都记载过一种生物同时存在雄性和雌性性状的情况，但在哺乳动物身上，这一现象仅限于几个孤例，报告的通常是个体而非整个物种。例如，几个世纪以来，人类身上的生殖器官融合现象被多次描述，最早可追溯至古希腊，那时就有对生殖器不明确患者进行外科手术干预的报告。
德国马克斯·普朗克分子遗传学研究所（Max Planck Institute for Moleculer Genetics）的分子遗传学家马丁内兹·雷阿尔（Martinez Real）解释说，过去这被称为两性畸形（hermaphroditism，出自古希腊神话人物赫马弗洛狄特斯，赫尔墨斯与阿芙洛狄忒的儿子，同时长有丰满的乳房与男性外生殖器），如今具有这样特征的个体被称为雌雄间体（intersex）。
然而，鼹鼠与众不同之处在于，它们的双性特征不仅限于若干个体，而是全体雌性所共有。而且，这一现象也并非伊比利亚鼹鼠所独有，科学家已经在八种鼹鼠物种中确认了双性特征，还有一种穴居鼹鼠的亲戚——水鼹亚科（Desmaninae），它们生活在河流、湖泊等水生环境附近。雄性特征能够为雌性鼹鼠提供工具，帮助它们在极端环境中生存下来。
睾酮的威力
雌性鼹鼠拥有卵睾体的关键后果是较高的睾酮水平，这是雄性动物的主要性激素（对雄性的生长和肌肉发育至关重要），也直接影响着雌性鼹鼠的解剖结构和行为。
但是，雌性的睾酮生成是季节性的，马丁内兹·雷阿尔解释道，它以年为周期，随着卵睾体内睾丸组织大小的变化而发生剧烈改变。从 2000 年代初，雷阿尔就开始在希门尼斯·梅迪纳的实验室研究哺乳动物性发育的调控机制。从秋末、冬季到初春，土壤中满是蚯蚓，对鼹鼠来说生存更容易些。此时，雌性鼹鼠的睾丸组织会萎缩，它们的攻击性随之减弱。从九月到来年五月，雌性鼹鼠允许雄性鼹鼠进入自己的领地进行交配，这一情况在十一月到来年三月之间会更频繁，希门尼斯·梅迪纳解释说。而交配季节之外的时分，两性之间的互动则会减少，主要表现为领土对抗。
所有雌性伊比利亚鼹鼠都有卵睾体：生成配子的性腺，同时包含卵巢和睾丸组织。卵睾体位于其他雌性物种的卵巢之处。这些卵睾体的卵巢部分会生成卵子，而睾丸部分则分泌睾酮，并不会产生精子。
夏季的情况就更加复杂些。这个季节气候干燥，土壤变硬，食物稀缺，鼹鼠挖掘地下隧道和走廊的难度更大，也需要更大的力气。此时，卵睾体的睾丸部分会膨胀变大，成年雌性鼹鼠血液中睾酮水平平均为 2.62 纳克/毫升，而幼年雌性鼹鼠的数字是 5.5 纳克/毫升。这与雄性鼹鼠的水平处于同一量级：成年雄性鼹鼠为 4.9 纳克/毫升，未成年雄性鼹鼠则为 3.9 纳克/毫升。相比之下，人类成年女性的睾酮水平约为 0.5 纳克/毫升，仅为成年男性（平均约为 5 纳克/毫升）的十分之一。
雌性鼹鼠体内产生睾酮的季节性变化机制是希门尼斯·梅迪纳团队仍在研究的课题。目前我们已经确定，更高的睾酮水平赋予雌性鼹鼠足以完成重要任务的肌肉：构建地下隧道、搭建狩猎场捕捉蚯蚓，以及防御自己的领地。“它们的肌肉组织让人印象深刻，”希门尼斯·梅迪纳评价道。当你解剖鼹鼠的时候，无论是雌性还是雄性，都能看到媲美健美运动员的肌肉。
“睾酮还与哺乳动物以及其他脊椎动物的攻击性相关。”珍妮·格拉维斯（Jenny Graves）说道。她是澳大利亚拉筹伯大学（La Trobe University）的演化遗传学家，曾研究过哺乳动物的性别决定问题。她表示，尽管在几乎所有哺乳动物物种内，雄性都是体型最大、最强壮、也最具攻击性的一方，但像鼹鼠这样由雌性来守护领地的情况也非常有意思。
基因组重排
哺乳动物的性别通过基因来决定，所有雌性鼹鼠的双性特征必然存在基因基础。在搜寻线索的过程中，马丁内兹·莱阿尔和希门尼斯·梅迪纳都加入了一个研究团队，致力于分析伊比利亚鼹鼠以及其亲属之一——星鼻鼹（Condylura cristata）的基因组，后者中的雌性也发育出了卵睾体。
团队发现，这两个物种的基因组都发生了变化，影响到涉及睾酮生成与睾丸发育的关键基因活性，改变了雌性鼹鼠性器官内基因打开或关闭的时间以及程度。研究结果 2020 年发表于《科学》（Science）。
这些变化的影响之一是 CYP17A1 基因的活性，该基因编码能够控制雄性性激素生成的酶，也包括睾酮。伊比利亚鼹鼠和星鼻鼹拥有三份该基因的拷贝，而大部分哺乳动物只有一份。但是，两份额外的拷贝并不发挥功能，重要的变化在其附近负责调控该基因活性的 DNA 序列的被修饰拷贝中。调控元件被修饰后，雄性睾丸中以及雌性卵睾体睾丸组织中的 CYP17A1 基因活性都得到了增强，导致两种性别体内睾酮生成的增加。
伊比利亚鼹鼠和星鼻鼹都发生了基因改变（左），CYP17A1 基因的活性被上调，该基因参与调控雄性性激素的生成，例如睾酮。与小鼠相比（右），这意味着鼹鼠生殖器官，特别是雌性鼹鼠睾丸组织中的 CYP17A1 活性增强。这种以及其他基因变化可能有助于解释为什么雌性鼹鼠表现出其他雄性哺乳动物常见的性状和行为，后者往往只有一份 CYP17A1 拷贝。
此外，哺乳动物体内还有另外一种基因 CYP19A1，通常只在卵巢中活跃表达，可以将睾酮转变成雌性激素。这一基因能够逆转 CYP17A1 变化导致的睾酮生成增强。但在鼹鼠体内，CYP19A1 只在卵睾体的卵巢部分内活跃表达，而不存在于睾丸部分。这表明它不会干扰睾酮生成。
第三个改变影响着另一种基因 FGF9，该基因影响哺乳动物的睾丸发育。而在调控这一基因的关键区域中，伊比利亚鼹鼠和星鼻鼹都包含一段倒转的 DNA 片段。结果，马丁内兹·雷阿尔团队发现在胚胎发育过程中，这一基因在雌性的生殖器官内活跃表达，而在其他哺乳动物内，该基因只在雄性体内活跃。马丁内兹·雷阿尔解释说，其活性延迟了卵巢的发育，有利于睾丸组织的优先发育，最终形成卵睾体。
研究者接下来在小鼠体内改变了相同的基因，实验结果证明这些变化在具有雄性特征的雌性发育过程中发挥关键作用。这些小鼠，不论是雄性还是雌性，都接受了调控 CYP17A1 活性序列的额外拷贝，生成了大量睾酮：与基因组没有被改变的雌性小鼠相比，实验组雌鼠生成的睾酮量是前者的两倍，而实验组雄鼠生成的睾酮量是基因组未改变小鼠的三倍。与此同时，基因工程改造后，FGF9 基因活性被增强的雌性小鼠和鼹鼠一样，发育出了睾丸。
成为母亲的另一条路
卵睾体、大块肌肉和攻击行为的存在，会让雌性鼹鼠变得更不具备“女性气质”吗？希门尼斯·梅迪纳否定了这一问题。“从生物学角度来说，最能代表女性气质的事情是成为母亲。”他说。解剖结构上雌性-雄性性别形式的存在是为了两性繁殖，而雌性鼹鼠毫无疑问在履行这一职责：它们每年大约能产下四只幼崽，会花一个月左右的时间来照顾、哺乳幼崽。“它们会建造特别适用于分娩和哺育幼崽的新巢。”希门尼斯·梅迪纳解释说，鼹鼠会将干燥的叶片层层堆叠起来，既能防水，也能保暖。
在野外观察鼹鼠的拉斐尔·希门尼斯·梅迪纳
雌性鼹鼠还非常善于照顾后代。在哺乳一个月之后，幼崽的体重能增加 45 克，侧面反映了母乳较高的营养质量。到断奶时，平均体重为 53.5 克的雌性鼹鼠所繁殖的幼崽平均体重为 144.12 克，表明它们比其他雌性哺乳动物的繁殖投入更高，尤其是与一些鼩鼱物种相比较。
在生物学内，雌性鼹鼠的情况清晰表明，成为雌性的方式并不单一，特殊情况下，发育出雄性特征可能与适应挑战性环境相关，例如地下生活。
凯·霍勒坎普（Kay Holekamp）是美国密歇根州立大学（Michigan State University）的行为生态学家，几十年来，一直在研究雌性斑鬣狗，她说它们和雌性鼹鼠一样有着奇异的混合性状。但这些雌性的雄性化“只是故事的一小部分”，她补充道，它们的神经系统和行为模式根本没有雄性化，实际上“极具女性气质”。
原文链接：
https://knowablemagazine.org/article/living-world/2023/intersexuality-genetics-iberian-mole
本文经授权转载自微信公众号“科研圈”，编辑：魏潇。
原标题：《雌性，但有睾丸：这种动物的“雌雄同体”是如何炼成的？》