Nature：大腦性別差異的關(guān)鍵基因調(diào)控機(jī)制
本文由brainnews腦科學(xué)世界團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)編譯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)。
雌二醇是調(diào)節(jié)大腦性別差異的主要影響因子，在經(jīng)典通路中，通過轉(zhuǎn)錄因子雌激素受體α（ERα/Esr1）發(fā)揮作用。雖然控制性別典型行為的神經(jīng)回路已經(jīng)被廣泛地闡述，但是類固醇激素受體在這些回路中起作用的潛在遺傳機(jī)制尚不清楚。
據(jù)此，R. Bronstein和J. Tollkuhn教授團(tuán)隊(duì)采用新的遺傳學(xué)方法去檢測ERα的神經(jīng)元基因組靶點(diǎn)且研究其如何協(xié)調(diào)大腦性別分化，并將其成果“Gene regulation by gonadal hormone receptors underlies brain sex differences”于2022年5月發(fā)表于Nature雜志。
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大腦中ERα的基因組靶點(diǎn)
該團(tuán)隊(duì)使用苯甲酸雌二醇（E2，外源性雌激素類似物）處理小鼠，4小時后檢測ERα調(diào)節(jié)性別典型行為的3個腦區(qū)（終紋后床核/BNSTp，內(nèi)側(cè)視前區(qū)/MPOA，后內(nèi)側(cè)杏仁核/MeAp）（圖1.a）的ERα結(jié)合位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)大腦中有1930個E2誘導(dǎo)的ERα結(jié)合位點(diǎn)（圖1.b），其中最富集的轉(zhuǎn)錄因子（TF）結(jié)合基序是雌激素反應(yīng)元件(ERE)。與外周組織相比，這些位點(diǎn)具有相對的腦特異性（圖1.c），且主要在突觸和神經(jīng)發(fā)育功能方面富集（圖1. d）。
之后針對BNSTp腦區(qū)（它在調(diào)節(jié)性別典型行為中具有核心作用），檢測了ERα結(jié)合對基因表達(dá)和染色質(zhì)狀態(tài)的影響，鑒定了358個受雌二醇調(diào)控的基因（圖1.e），之后進(jìn)行原位雜交，發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)中與神經(jīng)連接和突觸可塑性相關(guān)的基因被高度激活（圖1.f），也檢測到7293個增加接觸性和123個降低接觸性的染色質(zhì)區(qū)域（圖1.g），包括了上述的被高度激活的基因（Brinp2, Rcn1, Enah 和Tle3）。
圖1. 不同性別神經(jīng)元群中ERα的基因組靶點(diǎn)
基因調(diào)控中的性別差異
雄性的BNSTp大小大約是雌性的1.5-2倍，小鼠當(dāng)中這種結(jié)構(gòu)差異的出現(xiàn)主要是因?yàn)槠湓谛律A段ERα的激活。該團(tuán)隊(duì)分析了成年小鼠BNST的單核RNA-測序的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了7種BNSTp Esr1+轉(zhuǎn)錄組神經(jīng)元類型，其中Nfix(i1:Nfix)和Esr2(i3:Esr2)的表達(dá)在雄性中明顯升高（圖2.a，b），且免疫熒光顯示雄性ERα+Nfix+神經(jīng)元的數(shù)量是雌性的2倍（圖2.c）。
之后將這些神經(jīng)元的基因表達(dá)數(shù)據(jù)和皮層以及海馬神經(jīng)元的RNA測序數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)i1:Nfix神經(jīng)元與Lamp5+神經(jīng)膠質(zhì)類型中間神經(jīng)元相匹配，且與雄性偏倚神經(jīng)元共享一些標(biāo)志物（Moxd1和Cplx3）和轉(zhuǎn)錄組信息（圖2.d，e）。BNST神經(jīng)元類型基因表達(dá)的性別差異很大，其中Esr1，雄激素受體（Ar）以及孕激素受體（Pgr）與性別偏倚基因表達(dá)最為相關(guān)（圖2.f，g）。
在染色質(zhì)層面，大約有18000個染色質(zhì)區(qū)域的可接觸性出現(xiàn)性別差異（圖2.h），然而當(dāng)去除性腺后，這些差異會降低到71個，且發(fā)現(xiàn)了對性腺去除有雄性特異性反應(yīng)的基因（圖2.i）：性腺去除后，在雄性中特異性關(guān)閉的染色質(zhì)區(qū)域主要包含了雄激素反應(yīng)元件，而在兩性中都關(guān)閉的則主要富集ERE和E2開放區(qū)域（圖2.i，j）。
圖2. BNSTp腦區(qū)Esr1+細(xì)胞類型豐度和基因調(diào)控的性別差異
持續(xù)的性別差異需要ERα
BNSTp連接的性別差異在小鼠出生2周后出現(xiàn)，就在雄性神經(jīng)雌二醇逐漸消失之后。該團(tuán)隊(duì)檢測了出生后4天（P4）小鼠的基因組數(shù)據(jù)，檢測到大約2000個染色質(zhì)位點(diǎn)的性別差異，幾乎所有的性別差異都依賴于新生期雌二醇（NE）（圖3.a）。之后對P14小鼠也進(jìn)行了基因組數(shù)據(jù)的檢測，發(fā)現(xiàn)Esr1+神經(jīng)元在P4，P14以及成年期基本相同（圖3.b，h）。
圖3. 新生時期ERα基因組結(jié)合驅(qū)動持續(xù)的雄性偏倚基因表達(dá)程序
對NE-反應(yīng)染色質(zhì)區(qū)域顯示，i1:Nfix神經(jīng)元的NE開放區(qū)域優(yōu)先包含Nfix結(jié)合事件（圖3.c，d）。P4 Esr1+神經(jīng)元的差異表達(dá)分析顯示有400多個性別差異基因（圖3.e），雌二醇依賴的基因表達(dá)和染色質(zhì)性別差異出現(xiàn)在Cyp19a1/芳香化酶缺乏的神經(jīng)元中（圖3.e-g）。
之后，該團(tuán)隊(duì)分析了38962個ERα陰性小鼠的BNST GABA能神經(jīng)元（圖4.a），發(fā)現(xiàn)雄性偏倚的i1:Nfix 和i3:Esr2豐度降低到雌性水平，性別差異表達(dá)基因的水平也同樣下降（圖4.b），且ERα敲除的雄性小鼠出現(xiàn)雌性化的性別偏倚基因的表達(dá)（圖4.c），說明ERα是維持性別差異基因表達(dá)的重要因素。
圖4. 持續(xù)的性別差異基因表達(dá)需要ERα
結(jié) 論
ERα通過兩種機(jī)制協(xié)調(diào)小鼠腦的性別分化：建立兩種雄性偏倚的神經(jīng)元類型并激活持續(xù)的雄性偏倚基因表達(dá)程序。
參考文獻(xiàn)
B. Gegenhuber, et al. Gene regulation by gonadal hormone receptors underlies brain sex differences.
Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04686-1.
編譯作者：KK（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
