摘要
健康的雄性生殖系统和正常的生殖能力是哺乳动物实现个体繁殖、种群繁衍和扩张、基因传递和交流的重要保证。睾丸是雄性哺乳动物的核心生殖器官，其正常生精功能的行使是温度依赖性的，稍低于身体核心的温度是保障正常精子发生和储存的必要条件。局部高温是目前世界卫生组织公认的对男性生殖能力有强大破坏作用的因素之一，且已发现睾丸温度升高和生殖力下降存在一定的联系。包括人类在内的大多数哺乳动物发育有下降落入体外阴囊的睾丸，以此提供低温保障。实际上，并非所有哺乳动物的睾丸都位于阴囊中，哺乳动物睾丸位置具有丰富的多样性。有趣的是，这些具有天然“隐睾”（非阴囊型睾丸）的哺乳动物具有与阴囊型睾丸物种无异的生殖与生命健康。然而，不仅哺乳动物多样的睾丸位置表型的演化历史仍存在争议，并且也鲜有研究从分子进化角度对哺乳动物睾丸位置多样性演化机制进行探讨。因此，本研究首先拟通过重建哺乳动物睾丸位置表型（完全下降落入阴囊的阴囊型睾丸、不完全下降的腹股沟型睾丸和完全不下降的腹腔型睾丸）的祖先状态，探究哺乳动物睾丸位置的演化历史。接下来，在哺乳动物主要分支中选取代表物种，通过比较基因组方法，分别基于380个隐睾症相关基因、影响睾丸发育和位置变化的Desert hedgehog（DHH）信号通路基因的进化，以期探究和揭示哺乳动物睾丸位置多样性形成的分子进化机制，及健康“隐睾”哺乳动物维持正常生殖、生命健康的潜在遗传机制。 虽然包括人类在内的大多数哺乳动物发育有双侧完全落入阴囊的睾丸，但如鸭嘴兽、大象、树懒、犰狳、刺猬、裸鼹鼠等物种的睾丸不落入阴囊，仍位于腹腔或腹股沟区域。由于睾丸和阴囊均为难以在化石中保存的柔软组织，因此哺乳动物睾丸位置的演化历史也未有明确定论。为探究哺乳动物睾丸位置的演化历史，本研究使用最大似然法对覆盖现生哺乳动物17个目的63个哺乳动物代表物种的睾丸位置表型进行祖先状态重建，结果显示哺乳动物祖先具有完全下降的阴囊型睾丸，并且在单孔目、非洲兽总目、有甲目、啮齿目、翼手目、鲸偶蹄目、食肉目、奇蹄目和真盲缺目的部分支系中多次独立演化出不完全下降和完全不下降的非阴囊型睾丸。不同物种睾丸位置的差异可能同时受到哺乳动物进化过程中经历的环境改变、物种独特的进化历史等因素影响，反映了表型和适应性进化间的紧密联系。 睾丸下降过程十分复杂，涉及多个通路和基因、多种精细的内分泌因素和生理解剖结构牵引控制。睾丸下降第一阶段的调控激素主要包括抗穆勒氏管激素（AMH）、胰岛素样激素3（INSL3）和松弛素家族受体2（RXFP2）。此外，该阶段的显著特征为引带膨大，随后逐渐发育为中心是间充质细胞、外周是肌细胞的引带球茎。引带的牵引是睾丸从肾周下降到腹股沟区域、再到阴囊底部的主要力量。睾丸下降第二阶段的调控激素主要为以睾酮为主的雄激素，睾酮与生殖股神经（GFN）相互作用，促使其释放降钙素基因相关肽（CGRP），CGRP引发睾丸下降第二阶段引带的节律性收缩和高运动性，进而促进睾丸下降。对于阴囊型睾丸哺乳动物，如果睾丸下降受阻或发生异常，则会造成隐睾症。隐睾睾丸停留在温度高于阴囊的腹腔或腹股沟区，导致睾丸遭受慢性热应激损伤，这与精子发生异常和男性不育密切相关。同时，隐睾症患者还常出现睾丸支持细胞和间质细胞的异常发育和多种激素分泌失调等病症。然而，正常情况下的天然健康“隐睾”哺乳动物却从未出现上述病理变化。为进一步探究哺乳动物睾丸位置多样性形成以及非阴囊型睾丸哺乳动物保障生殖和生命健康的分子机制，本研究选取49个具有不同睾丸位置表型的哺乳动物代表物种，对380个隐睾症相关基因进行全面的进化分析。结果显示非阴囊型睾丸哺乳动物与肌肉发育（肌肉组织发育muscle tissue development、横纹肌发育striated muscle tissue development和肌肉器官发育muscle organ development），生殖发育（包括生殖结构发育reproductive structure development、生殖系统发育reproductive system development、雄性生殖腺发育male gonad development、雄性第一性征发育development of primary male sexual characteristics和雄性性别分化male sex differentiation），Hedgehog信号通路相关基因出现了正选择和快速进化信号，提示引带和Hedgehog信号通路等在哺乳动物睾丸下降演化过程中的重要作用。此外，结合与哺乳动物睾丸位置表型共进化的基因以及腹腔型睾丸物种独特的氨基酸变异的结果，提示非阴囊型睾丸哺乳动物通过调控精子发生、DNA的准确复制和基因组稳定性、调整自噬水平，以达到维持健康“隐睾”正常生理功能的目的。另外，GTPase的功能趋同可能在哺乳动物健康“隐睾”表型演化中发挥着不可忽视的功能。 睾丸中不仅包含各个阶段的生殖细胞，也有多种具有重要功能的体细胞。睾丸间质细胞位于睾丸生精小管间的间质中，分泌INSL3等对睾丸下降十分重要的蛋白。睾丸支持细胞合成和分泌的DHH主要作用于间质细胞，调控间质细胞的增殖和分化，现在普遍认为睾丸支持细胞的旁分泌是间质细胞特异分化的前提。若DHH蛋白及其所在的DHH信号通路受到影响，则可能阻碍睾丸的正常下降、性腺发育和雄性穆勒氏管的正常退化等。为进一步探究DHH信号通路基因在阴囊型睾丸和非阴囊型睾丸哺乳动物中的进化模式和特征，本研究在睾丸位置分化较大的劳亚兽中选择28个代表物种，对43个DHH信号通路基因的进化分析显示，“健康隐睾”劳亚兽具有更多的经历正选择和快速进化的DHH信号通路基因，且这些进化信号主要集中在发挥负调控功能的基因（如MEGF8和CUL1）。一系列对氨基酸变异的功能预测显示，部分非阴囊型睾丸物种独特的氨基酸变异极可能改变蛋白质的理化性质和结构，对DHH信号通路蛋白的功能造成潜在影响，从而影响睾丸的下降，提示负调控加强了的DHH信号通路在劳亚兽和哺乳动物睾丸位置多样性演化过程中的重要作用。 综上所述，本研究通过重建哺乳动物睾丸位置表型的祖先状态、基于隐睾症相关基因和DHH信号通路基因的分子进化的研究，一方面有助于我们探究哺乳动物多样的睾丸位置表型的演化历史；另一方面，有助于从分子进化视角探究哺乳动物睾丸位置多样性形成的遗传机制，并进一步理解哺乳动物睾丸下降的影响因素，能够为人类隐睾疾病以及隐睾并发症的发生和早期防治方面提供一些线索和理论参考。
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