Nature：大腦性別差異的關鍵基因調控機制
發布時間：2022-05-11雌二醇是調節大腦性別差異的主要影響因子，在經典通路中，通過轉錄因子雌激素受體α（ERα/Esr1）發揮作用。雖然控制性別典型行為的神經回路已經被廣泛地闡述，但是類固醇激素受體在這些回路中起作用的潛在遺傳機制尚不清楚。
據此，R. Bronstein和J. Tollkuhn教授團隊采用新的遺傳學方法去檢測ERα的神經元基因組靶點且研究其如何協調大腦性別分化，并將其成果“Gene regulation by gonadal hormone receptors underlies brain sex differences”于2022年5月發表于Nature雜志。
大腦中ERα的基因組靶點 該團隊使用苯甲酸雌二醇（E2，外源性雌激素類似物）處理小鼠，4小時后檢測ERα調節性別典型行為的3個腦區（終紋后床核/BNSTp，內側視前區/MPOA，后內側杏仁核/MeAp）（圖1.a）的ERα結合位點，發現大腦中有1930個E2誘導的ERα結合位點（圖1.b），其中最富集的轉錄因子（TF）結合基序是雌激素反應元件(ERE)。與外周組織相比，這些位點具有相對的腦特異性（圖1.c），且主要在突觸和神經發育功能方面富集（圖1. d）。 之后針對BNSTp腦區（它在調節性別典型行為中具有核心作用），檢測了ERα結合對基因表達和染色質狀態的影響，鑒定了358個受雌二醇調控的基因（圖1.e），之后進行原位雜交，發現該腦區中與神經連接和突觸可塑性相關的基因被高度激活（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區域（圖1.g），包括了上述的被高度激活的基因（Brinp2, Rcn1, Enah 和Tle3）。 圖1. 不同性別神經元群中ERα的基因組靶點 基因調控中的性別差異 雄性的BNSTp大小大約是雌性的1.5-2倍，小鼠當中這種結構差異的出現主要是因為其在新生階段ERα的激活。該團隊分析了成年小鼠BNST的單核RNA-測序的數據，發現了7種BNSTp Esr1+轉錄組神經元類型，其中Nfix(i1:Nfix)和Esr2(i3:Esr2)的表達在雄性中明顯升高（圖2.a，b），且免疫熒光顯示雄性ERα+Nfix+神經元的數量是雌性的2倍（圖2.c）。 之后將這些神經元的基因表達數據和皮層以及海馬神經元的RNA測序數據比較，發現i1:Nfix神經元與Lamp5+神經膠質類型中間神經元相匹配，且與雄性偏倚神經元共享一些標志物（Moxd1和Cplx3）和轉錄組信息（圖2.d，e）。BNST神經元類型基因表達的性別差異很大，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最為相關（圖2.f，g）。 在染色質層面，大約有18000個染色質區域的可接觸性出現性別差異（圖2.h），然而當去除性腺后，這些差異會降低到71個，且發現了對性腺去除有雄性特異性反應的基因（圖2.i）：性腺去除后，在雄性中特異性關閉的染色質區域主要包含了雄激素反應元件，而在兩性中都關閉的則主要富集ERE和E2開放區域（圖2.i，j）。 圖2. BNSTp腦區Esr1+細胞類型豐度和基因調控的性別差異 持續的性別差異需要ERα BNSTp連接的性別差異在小鼠出生2周后出現，就在雄性神經雌二醇逐漸消失之后。該團隊檢測了出生后4天（P4）小鼠的基因組數據，檢測到大約2000個染色質位點的性別差異，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小鼠也進行了基因組數據的檢測，發現Esr1+神經元在P4，P14以及成年期基本相同（圖3.b，h）。 圖3. 新生時期ERα基因組結合驅動持續的雄性偏倚基因表達程序 對NE-反應染色質區域顯示，i1:Nfix神經元的NE開放區域優先包含Nfix結合事件（圖3.c，d）。P4 Esr1+神經元的差異表達分析顯示有400多個性別差異基因（圖3.e），雌二醇依賴的基因表達和染色質性別差異出現在Cyp19a1/芳香化酶缺乏的神經元中（圖3.e-g）。 之后，該團隊分析了38962個ERα陰性小鼠的BNST GABA能神經元（圖4.a），發現雄性偏倚的i1:Nfix 和i3:Esr2豐度降低到雌性水平，性別差異表達基因的水平也同樣下降（圖4.b），且ERα敲除的雄性小鼠出現雌性化的性別偏倚基因的表達（圖4.c），說明ERα是維持性別差異基因表達的重要因素。 圖4. 持續的性別差異基因表達需要ERα 結 論 ERα通過兩種機制協調小鼠腦的性別分化：建立兩種雄性偏倚的神經元類型并激活持續的雄性偏倚基因表達程序。
