摘要：本文强调了雄性和雌性斑马鱼大脑之间的差异其在研究性别特异性神经疾病中的应用。在细胞水平上雄性和雌性大脑表现出细微的差异可能对驱动性别特异性信号很重要。人类和非人类物种都观察到了大脑中的性别差异。 然而，脑性别差异的分子机制仍不清楚。大脑性别差异的经典模型表明源自性腺的类固醇激素是雄性和雌性神经网络差异的主要决定因素。最近的研究表明在性腺激素作用之前，发育中的大脑表现出基因表达的性别特异性差异。因此，基因差异也可能导致大脑区分为雄性和雌性类型。了解大脑性别差异的信号机制有助于进一步阐明某些神经疾病的性别特异性发病率。斑马鱼模型可能适用于增强我们对大脑性别分化和神经疾病相关信号的理解。斑马鱼的大脑在激素水平上表现出性别特异性差异，RNA测序的最新进展突出了转录水平上的关键性别特异性差别。这种差异在细胞和代谢物水平上也很明显，这对于组织性别特异性神经元信号传导可能很重要。斑马鱼除了具有 70% 的人类基因的同源基因外，斑马鱼还与其他高等真核生物（包括哺乳动物）共享大脑结构相似性。因此，破译斑马鱼的大脑性别差异将有助于进一步加强对神经系统疾病的诊断和药物干预。

简介：哺乳动物性腺的发育始于未分化的性腺（双潜能性腺），可以发育成睾丸或卵巢。研究人类性相关疾病时遵循睾丸或卵巢途径的决定主要受染色体构成（XX / XY）的支配。雄性Y染色体性别决定区Y（SRY）基因的存在驱动睾丸分化。在缺乏Sry的情况下卵巢发育继续。因此，卵巢分化被认为是默认途径。然而，正如Yao所指出现在说卵巢是一种默认途径还为时过早，因为它可能有自己活跃的遗传或信号通路来调节发育。在几种鱼类性别分化前也观察到了双潜能性腺，并且还鉴定了几个性别决定基因，包括 dmY 、 gsdfY 、 sox3Y 、 amhy 、amhr2 、 gdf6Y 、 dmrt1 和 sdY。其他性别分化机制进一步提高了我们对性腺性别分化过程的理解。有人认为斑马鱼和其他鱼类的下游信号级联和基因表现出与哺乳动物相似的模式。许多使用外源化合物（激素和化学物质）、吗啉和基因编辑的研究已经确定了鱼类性腺发育的重要基因、途径和关键时期。由于鱼类缺乏强大的主调节基因（如 Sry），可以轻松操纵性别分化结果并深入研究该过程。发育中的性腺分泌类固醇激素睾酮 (T) 和雌二醇 (E2)，进一步区分性器官。分泌的T和E2也以雄性或雌性特有的方式组织脑神经元网络。与卵巢相似，雌性大脑被认为是默认的发育途径。另一方面，雄性睾酮通过直接激活雄激素受体（AR）或在T转化为E2后通过刺激雌激素受体（ER）间接使发育中的大脑雄性化。最近的研究结果表明人类雄性和雌性的大脑显示出不同的连接组、甲基组和转录组图谱。20世纪50年代提供了关于大脑性别分化的重要信息。Pfeiffer将卵巢移植到成年小鼠中，并注意到只有在新生期而不是成年期去势的小鼠中存在周期性活动。Phoenix等人对豚鼠进行了研究，证明用睾酮治疗孕期雌性豚鼠会导致成人的典型雄性行为，但在围产期或成年期使用睾酮时，未观察到这种效果。表明性腺类固醇激素（雄激素和雌激素）是建立雄性和雌性神经网络的主要驱动力.雄性T 直接或间接在芳香酶催化转化为 E2 后导致大脑雄性化。 雌性较高水平的甲胎蛋白与雌激素结合并保护大脑免受雄性化影响。

大脑性别分化。

正如Arnold和Breedlove指出，由于许多因素没有考虑在内，类固醇激素的组织和激活效应（经典理论）需要重新评估。经典模型没有考虑遗传差异，没有提供完整的图片； 更重要的是，激素可能不是性别分化的早期决定因素。有证据表明产前大脑可以显示出性别差异。小鼠和鸡的研究表明在性腺激素作用于发育中的大脑之前表现出不同的基因表达。这表明发育中的大脑存在遗传差异，并且这些差异导致雄性和雌性大脑的差异发育。Sry是睾丸的主调控基因。小鼠可在性交后约10.5天检测到性腺Sry表达，并在11.5天达到峰值，以启动睾丸分化。大脑Sry表达与酪氨酸羟化酶共同定位，酪氨酸羟化酶是一种参与黑质多巴胺合成的酶。大脑Sry的下调导致酪氨酸羟化酶的表达减少表明Sry正调控。XXY 和 XYY 雄孩发育睾丸但表现出与 XY 雄孩不同的社会行为。哺乳动物性腺首先发育，分泌的类固醇激素组织大脑而硬骨鱼与哺乳动物相反。这表明性腺发育之前的大脑发育对硬骨鱼很重要，因为从一开始就是独立的，这可能意味着大脑将决定性腺发育的命运。最近对小鼠和鸡大脑的研究表明在性腺类固醇作用于大脑之前，发育中的大脑具有性别特异性差异。斑马鱼根据脑特异性芳香酶 (cyp19a1b) 的表达，仔鱼可以在性腺分化之前分为高表达组和低表达组。这些研究并没有确定这两个群体的性别而是使用整个胚胎进行基因分析，这可能会由于来自其他组织的信号而混淆分析。 尽管如此，这些研究表明斑马鱼大脑在性腺发育之前表现出性别特异性差异。

Sry 基因是驱动睾丸分化的主要调节因子。一个尚未回答的有趣问题是是否存在类似的调节大脑性别分化的主调节基因。有人认为 Sry 起源于大脑决定基因 Sry-type HMG box 3 (SOX3)。SOX3突变导致下丘脑-垂体-性腺轴异常导致雄性性腺机能减退。表明大脑可能含有其他重要基因以性别特异性方式调节性腺功能和性别分化。斑马鱼是一种有望剖析大脑中的性别差异的理想模型系统，因为它具有一些包括体积小、生成时间短和易于基因操作的优势。随着生物组学和基因编辑技术的最新进展阐明斑马鱼大脑中的信号机制成为可能。没有系统的研究总结了斑马鱼脑性别分化的所有可用信息。 因此，本研究为进一步了解斑马鱼大脑性别分化及其相关挑战提供了全面的信息。

斑马鱼脑性别差异：与哺乳动物类似，硬骨鱼大脑性别分化的分子机制尚不完全清楚。脊椎动物鱼类的性别决定系统最为多样。据报道一些鱼类具有XX/XY系统，而其他鱼类则具有ZW/ZZ系统进行性别分化。斑马鱼中性染色体的存在是有争议的，因为许多研究未找到性染色体。只有两项研究表明斑马鱼中存在性染色体，其中雌性为异配子（ZW/ZZ系统）。安德森等人的一项研究表明这可能是因为性染色体分析主要是在驯化的斑马鱼品系中进行。对从自然界采集的野生斑马鱼进行研究表明4 号染色体存在多态性，雌性是异配子，这表明存在 ZW/ZZ 系统。在驯化品系中未发现相同的多态性。 因此驯化品系依赖于多个基因进行性腺分化，并提出了多基因性别决定系统。已知从早期发育阶段开始施用外源性雄激素和雌激素会使斑马鱼的性别比例倾斜。成年斑马鱼也有性逆转的报道，使用芳香酶抑制剂治疗成年雌性斑马鱼 5 个月导致卵巢回缩并形成充满精子样细胞的睾丸样结构。观察到foxl2、cyp17a1和cyp19a1a（性腺芳香化酶）敲除斑马鱼的卵巢分化缺陷，雌二醇治疗可挽救该表型。更具体而言，斑马鱼cyp19a1a基因敲除导致雄性群体，雌二醇治疗可以通过促进卵巢发育。这表明斑马鱼性腺即使在性成熟后也是可塑的，类固醇激素或其基因调节剂是维持内部性器官所必需的。与性腺相似，斑马鱼的大脑也表现出可塑性。例如，成年雌性鱼接触11-酮睾酮（11-KT）可以改变性行为。使用 cyp17a1（参与雄激素合成）敲除斑马鱼，我们发现敲除雄性的交配行为也发生了改变。在成年阶段对缺乏 cyp17a1 的鱼进行睾酮或 11-KT 治疗恢复了雄性典型的交配行为。生殖细胞数量也与大脑性别分化有关，因为吗啉基介导的生殖细胞耗竭导致全雄性人群，但大脑转录谱与雌性大脑转录谱相似。类固醇激素已成为大脑性别分化的主要调节剂。类固醇激素在组织性别特异性神经元网络中的确切作用仍不清楚。 类固醇激素合成基因的敲除研究导致了性别逆转； 因此，类固醇激素对大脑的直接影响尚不清楚。大脑特异性基因敲除有助于揭示斑马鱼大脑性别分化的分子机制和关键参与者。斑马鱼非常适合研究人类生理学的不同方面，并有可能揭示人类神经系统疾病的分子机制和病因，包括阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 等。斑马鱼可以帮助预测脑中基因和药物干预的结果以及作用机制。斑马鱼大脑性别分化和性别特异性差异的分子机制对于更好地理解这些神经问题至关重要。斑马鱼作为神经退行性疾病模型有一定的局限性。与哺乳动物相比，成年斑马鱼表现出广泛的神经发生能力并且可以在大脑创伤后再生。这可能阻碍了理解神经退行性疾病的进展。

细胞水平的差异：在维持脑内稳态中每种脑细胞类型都起着特定的作用。例如，已知小胶质细胞调节免疫功能和性行为，它们也与神经疾病有关。众所周知，雄性和雌性在脑细胞类型上表现出与性别相关的差异：例如，控制雄性性行为的啮齿动物内侧视前区有 2 到 3 倍的树突棘。小胶质细胞是中枢神经系统的天然免疫细胞，参与神经元网络的形成。雌性新生大鼠海马显示出比雄性海马更高的小胶质细胞数量和吞噬活性。对保存的RNA测序数据的分析表明小鼠的小胶质细胞具有性别特异性基因表达。哺乳动物系统出现细胞水平的性别特异性差异；然而，斑马鱼模型缺乏类似的信息。成年斑马鱼前脑显示出性别特异性细胞增殖模式；然而，目前还不清楚这些差异是否会导致不同的神经组织。，这种不同的增殖模式在斑马鱼什么阶段是明显的，这也是未知的。成人神经发生能力决定神经可塑性；有人认为鱼类比哺乳动物具有更高的可塑性。除了具有高的神经发生潜能外，鱼类大脑还具有芳香酶（一种将雄激素转化为雌激素的酶）的高表达，这与神经发生有关。斑马鱼中芳香化酶定位于前脑的放射状胶质细胞、皮层和皮层下区域、视前区和下丘脑。放射状胶质细胞被认为通过提供细胞迁移的支架，在支持新生成的神经元方面发挥关键作用。放射状细胞也显示为神经元细胞的前体。雄性和雌性大脑的单细胞转录组学可以进一步揭示关键的性别特异性差异。

激素差异：性类固醇是强大的神经调节剂可以调节行为；反过来，行为改变可以改变类固醇水平。，包括斑马鱼的硬骨鱼中11-KT是一种有效的雄激素。硬骨鱼性行为主要受性腺类固醇激素调节，然而，已知前列腺素也会影响性行为。表明雌鱼释放的性激素作为信息素吸引雄鱼；也有研究表明雄性也可以释放信息素来吸引雌性交配。在雌雄同体石斑鱼中，在性腺分化过程中，可以在脑中检测到参与类固醇生成的基因的表达。虹鳟鱼cyp19a1b（编码脑芳香化酶的基因）和cyp11a1（编码参与将胆固醇转化为类固醇的酶的基因），在性腺分化之前在雄性大脑中的表达较高。表明硬骨鱼大脑中的类固醇激素可以先于性腺类固醇产生。斑马鱼大脑的激素分析表明，雌性大脑中的E2水平处于中等水平，而雄性大脑中的11-KT几乎高出2.5倍。在另一项研究中，除11-KT外，雄性和雌性大脑中的睾酮水平没有显著差异。大脑可以合成类固醇激素。测量的类固醇激素中有多少来自大脑和性腺还不清楚。研究神经甾体的不同小组已经表明哺乳动物大脑中存在类固醇激素，包括孕烯醇酮、脱氢表雄酮及其硫酸盐。即使在去除肾上腺和睾丸组织后，大脑神经甾体水平仍保持。通过体外细胞培养，Ruiz-Palmero等人证明神经元细胞可以合成神经甾体。

另一种性激素黄体酮也可能对大脑功能很重要，就像哺乳动物一样，充当信息素并促进雄性和雌性的性行为。大鼠下丘脑腹内侧核（VMN）孕酮受体（pgr）表达具有性别特异性。孕酮对大脑功能的性别特异性调节的影响尚未确定。黄体酮暴露对斑马鱼的繁殖有负面影响，导致雌性的雌二醇水平较低，雄性的睾酮和11-KT水平较低。另一项研究中，较高浓度的合成孕酮导致雌性肥头鱼雄性化。表明黄体酮也可能在斑马鱼大脑功能的性别特异性调节中发挥重要作用。对cyp17a1敲除斑马鱼的研究中观察到雄激素对于性腺性别分化非常重要，所有敲除的斑马鱼都发育成雄性。尽管基因敲除发育成雄性，但行为和大脑转录分析表明，适当的雄激素水平对于雄性大脑完全雄性化至关重要。进一步对大脑样本进行了转录组学分析，以确定突变雄性大脑是否与野生型雌性大脑相似。发现cyp17a1 KO和雄性大脑之间共有218个差异表达基因（DEG）。其中，oat（睾酮存在时下调）、mos和syt13（雌性富集基因）在cyp17a1 KO和雄性大脑中均显著下调。与雄性大脑相比，雌性和cyp17a1 KO大脑中包括dio2和igf1在内的基因显著下调。进一步进行了主成分分析，以研究雌性、雄性和cyp17a1 KO脑转录谱之间是否存在特异性聚类。发现雄性和cyp17a1 KO大脑聚集在一起，而雌性大脑显示出不同的聚集模式。发现表明雄激素的耗竭影响大脑转录组学；KO雄性鱼的整体转录谱接近野生型雄性。斑马鱼昼夜周期中类固醇生成基因的表达也表现出性别特异性差异。cyp19a1b（神经芳香化酶）和cyp11b的表达仅在雄性夜间达到峰值。表明激素水平具有不同的峰值，在激素或基因表达分析中应考虑到这一点。

基因水平差异：转录分析揭示了斑马鱼大脑中重要的性别特异性差异。随着RNA测序和微阵列技术的进步，筛选几乎整个基因组的差异已成为可能。已经确定了在雄性和雌性大脑不同区域以性别特异性方式表达的重要基因。在分析的32个基因中，有13个基因表现出差异表达。包括cyp19a1b（脑芳香酶）、esr1、esr2b、mtf、ptgds、ptgs2b、sirt1和sod1在内的基因在雌性中高表达，而cfos、dio2、gabbr1a、GABBR1和igf1在雄性中高表达。在不同的研究中，dio2基因的性别特异性表达是一致的。Dio2 酶参与甲状腺激素的合成，它将激素原甲状腺素 (T4) 转化为具有生物效力的激素三碘甲状腺原氨酸 (T3)。甲状腺激素参与大脑发育的不同方面，因为它调节神经发生、神经元迁移、神经元和神经胶质分化、髓鞘形成和突触形成。已发现甲状腺激素信号在小鼠大脑中具有性别特异性，但尚不清楚甲状腺激素是否参与发育中大脑中性别特异性信号的诱导。并不完全清楚甲状腺激素在斑马鱼中的作用。使用甲状腺素（甲巯咪唑）破坏斑马鱼甲状腺激素会导致卵巢分化，而使用T4的外源性治疗会导致雄性化。Houbrechts等人使用全身dio2敲除斑马鱼的研究观察到甲状腺激素水平降低会降低性腺中的类固醇激素（T、E2和11-KT）并延迟生殖。尽管促甲状腺激素 (TSH) 反馈调节被破坏，但 Dio2 基因敲除小鼠的 T3 水平正常且生殖能力未受损。 Dio1 基因敲除小鼠也没有对一般健康或生殖能力产生任何影响。小鼠Dio1和Dio2可以补偿彼此的损失。仔鱼可以分为cyp19a1b高表达组和低表达组，但这些研究没有确定这两个群体的性别。在保存的微阵列数据进行的分析中cyp19a1b的表达也未发现性别特异性。这表明 cyp19a1b 的表达可能受不同因素的调节。对不同年龄组的雄性和雌性大脑的微阵列分析表明，随着鱼的成熟大脑中的性别特异性差异变得更加突出。

蛋白质水平差异：研究表明，约50%的人类基因组在中枢神经系统中表达，翻译后修饰和蛋白质-蛋白质相互作用进一步增加了蛋白质变体。蛋白质结构、成分和活性的改变可导致不同的神经退行性疾病，包括肌萎缩性硬化症 (ALS)、帕金森病和阿尔茨海默病 (AD)。在蛋白质水平上理解基因调控有助于绘制信号网络和神经退行性疾病。许多研究已经确定了斑马鱼在转录水平上的性别差异。蛋白质生物化学的最新进展有助于注释斑马鱼中的蛋白质。Gabriel等人使用双向电泳和质量分光光度法（LC–ESI MS/MS）在成年斑马鱼脑中鉴定了95种不同的蛋白质。作者还表明，磷酸化是比糖基化更常见的翻译后修饰。在最近的一项研究中作者利用缺氧条件分析了大脑蛋白质组的变化，清晰的显示斑马鱼大脑中蛋白质水平的性别差异。雄性大脑参与表观遗传过程的H3k9在缺氧后显著上调。其他显著改变的蛋白质有 Eno1、Foxo1、Gp1、Hmox1、Nos2、Pkm、Ran、Vcp、Klf4、Nestin、Sox2 等。此外，尤其是在疾病和功能通路分析显示出明显的性别差异。

代谢物水平差异：代谢组学可以揭示雄性和雌性大脑信号机制的关键信息。代谢组学涉及对细胞过程最终产物的测量，有助于阐明生化过程，包括神经退行性疾病。大脑主要由脂类组成，与维持脑内稳态和脑内常见病理状态有关。由于在某些神经疾病（包括AD）中存在脂质代谢信号的改变，脑样本的脂质组学可以为信号传导过程提供重要线索。大脑的代谢谱在不同的大脑区域显示出独特性，小鼠大脑的代谢组学谱显示代谢物以区域特异性方式表达。不同的因素，包括年龄、遗传、生活方式和性别，可以影响大脑中的脂质代谢。睾酮和甲状腺激素是影响大脑发育的重要激素，同时它们也会影响脂质代谢。为了了解斑马鱼大脑是否表现出性别特异性差异，我们分析了先前研究中的脂质组学数据。分析数据表明，雄性和雌性斑马鱼的代谢组学特征（脂质组学）不同。

结论：斑马鱼的大脑在信号传导和功能方面表现出性别特异性差异。 在转录、蛋白质、激素、代谢物和细胞水平上差异很明显。尽管尚未确定大脑性别分化的主要决定因素，但雄性和雌性神经元组织中类固醇激素作用的典型方式已得到认可。斑马鱼模型可以成为研究大脑性别特异性组织如何发生及不同因素包括遗传和环境如何影响结果的重要工具。破译大脑性别分化的分子机制可以进一步帮助填补这一知识空白，并提高我们对神经疾病发病和进展的理解。有助于预测药物干预并弥合神经退行性药物发现和临床试验之间的差距。本文讨论了迄今为止雄性和雌性斑马鱼大脑中观察到的本质差异。对靶向候选基因和信号传导过程以更好地了解大脑性别分化之谜至关重要。

原文出自：Sex-specific differences in zebrafish brains | SpringerLink