在生物的進化曆程中，性别是最為基本、最為重要的生物特征之一。性别差異廣泛存在于人類的發育、生理和疾病發生發展進程中。在非生殖系統的癌症中，男性和女性的發病率比例約為 2∶1，在膀胱癌、食道癌和喉癌等一些癌症中該比例接近甚至高于4∶1，且絕大多數癌症在男性中往往具有更差的預後。與癌症相反，自身免疫性疾病則高發于成年女性，其患者中女性比例高達80%¹。性别差異與多種遺傳和環境因素之間具有重要關聯，其中，雄激素水平的差異一直被認為是導緻性别差異的重要因素之一²。然而，“雄激素如何調控性别差異？”仍不清晰，而且疾病診療的過程中雄激素水平與性别差異等因素未被足夠重視。因此，亟需解析雄激素調控性别差異的分子和細胞基礎，探索雄激素對性别差異性疾病的發生發展調控機制。這将對開發新型針對雄激素和性别差異性疾病的診療策略具有重要意義。

2024年4月10日，北京大學生物醫學前沿創新中心/北大-清華生命科學聯合中心/beat365白凡教授與中國科學院分子細胞科學卓越創新中心高棟研究員、陳洛南研究員、深圳灣實驗室于晨研究員團隊合作，在Nature雜志上發表了題為“Sex differences orchestrated by androgens at single-cell resolution”的研究論文。該研究工作系統性地解析了雄激素調控性别差異的分子細胞基礎。

為了深入解析雄激素在性别差異中所扮演的角色，研究人員對雄性小鼠分别進行了摘除睾丸的去勢手術處理和對照組模拟手術處理，對雌性小鼠分别進行了外源添加雄激素處理和對照組處理。研究人員首先對這四種小鼠的每個器官重量進行了比較，發現淚腺、唾液腺和腎髒的重量在雄鼠中更大且受到雄激素正向調控，而免疫器官胸腺的重量在雌鼠中更大且受到雄激素負向調控。這些數據提示了雄激素在器官大小的穩态維持中扮演着重要角色。為了進一步解析雄激素調控性别差異的分子和細胞基礎，研究人員對以上四種小鼠的17個器官分别進行單細胞轉錄組測序，構建了首張用于系統性研究雄激素功能和性别差異的小鼠多器官單細胞圖譜（https://casadbtools.com）（圖1）。

圖1. 構建用于系統性研究雄激素功能和性别差異的小鼠多器官單細胞圖譜

鑒定雄激素在每種細胞類型中的分子靶點對于理解雄激素塑造性别差異的功能具有重要意義。研究人員對17種器官中的所有細胞類型進行了基因表達分析，發現雖然存在細胞異質性，但是從整體上來看，無論是在雌鼠中添加雄激素還是在雄鼠中去除雄激素均能夠顯著減弱基因表達上存在的性别差異。研究人員在每種細胞類型中定義了其表達水平受雄激素調控且具有性别差異的基因（androgen-associated sex-biased DEG，AASB-DEG），比如在脂肪組織的脂肪細胞中，Fasn高表達于雌鼠中，對雌鼠添加雄激素則顯著降低該基因表達，對雄鼠去除雄激素則顯著促進該基因表達。研究人員在AASB-DEG中鑒定到了Egfr、Fos 和 Fosb等增殖分化調控因子，以及Ccl3、Il33和 Ccl4等免疫調控因子。值得注意的是，靶向雄激素信号通路的多種抑制劑已經廣泛應用于前列腺癌臨床治療，因此這些AASB-DEG具有直接作為治療性别差異性疾病關鍵靶點的潛能（圖2）。

圖2. 雄激素調控性别差異的分子基礎

細胞組成對于機體的穩态維持和疾病發生發展至關重要。研究人員對17種器官中細胞組成進行了解析，基于此探究了雄激素調控性别差異的細胞基礎。與分子水平的表型相一緻，從整體上來看，無論是在雌鼠中添加雄激素還是在雄鼠中去除雄激素均能夠顯著減弱細胞比例上存在的性别差異。考慮到雄激素對于免疫器官大小和免疫分子表達具有調控作用，研究人員特異性分析了所有器官的免疫細胞組成，并且定義了其比例受雄激素調控且具有性别差異的免疫細胞類型（androgen-associated sex-biased immune cell type，AASB-immune cell type）。有趣的是，絕大多數雄激素所正向調控的AASB-immune cell type是髓系免疫細胞，包括嗜中性粒細胞和巨噬細胞，而受雄激素負向調控的AASB-immune cell type均是淋巴系免疫細胞，提示了雄激素在調控不同免疫應答中具有不同功能。在AASB-immune cell type中，研究人員注意到ILC2的比例在雌性小鼠中較高、添加雄激素後則降低、去除雄激素後則升高，且該表型在多個器官之間具有保守性。此外， ILC2在主要免疫細胞類型中具有最高的雄激素受體（androgen receptor，AR）表達水平，這也為雄激素直接作用于ILC2提供了分子基礎（圖3）。

圖3. 雄激素調控性别差異的細胞基礎

研究人員基于構建的單細胞圖譜對UK Biobank數據集中的性别差異性疾病與細胞類型進行了關聯分析，鑒定了這些疾病的潛在細胞靶标。性别差異性疾病的潛在緻病基因表現出了MHC分子的顯著富集，提示了MHC分子在性别差異性疾病中的重要角色。研究人員發現雄激素能夠在多種器官和細胞中調控MHC分子的表達水平，比如雄激素可以在脾髒的巨噬細胞中顯著上調H2-Ab1的表達水平。值得一提的是，近期的兩項研究表明雄激素通路抑制劑可以顯著改善結腸癌對于抗PD-L1和黑色素瘤對于靶向BRAF/MEK的治療響應^3,4。這些發現進一步為通過靶向雄激素信号通路治療性别差異性疾病提供了理論支撐（圖4）。

圖4. 雄激素與性别差異性疾病的關聯分析

綜上，本研究系統性證明了雄激素在性别差異中扮演着重要角色，并深入解析了雄激素調控性别差異的分子和細胞基礎，鑒定了雄激素對于免疫分子和免疫細胞的重要調控作用，為理解性别差異性疾病的發生發展機制和靶向雄激素信号通路的潛在臨床應用提供了重要理論基礎。

分子細胞卓越中心副研究員李飛、北京大學博士後邢旭東、分子細胞卓越中心博士後靳琪琪、北京大學博士後王湘銘、分子細胞卓越中心博士研究生戴鵬飛和韓銘為該論文共同第一作者。北京大學白凡教授、分子細胞卓越中心高棟研究員、分子細胞卓越中心陳洛南研究員、深圳灣實驗室于晨研究員為該論文共同通訊作者。這項工作獲得了國家自然科學基金、科技部、中國科學院、北京市和上海市的基金支持，也得到了騰訊科學探索獎的支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07291-6

1          Mauvais-Jarvis, F. et al. Sex and gender: modifiers of health, disease, and medicine. Lancet 396, 565-582, doi:10.1016/S0140-6736(20)31561-0 (2020).

2          Khramtsova, E. A., Davis, L. K. & Stranger, B. E. The role of sex in the genomics of human complex traits. Nat Rev Genet 20, 173-190, doi:10.1038/s41576-018-0083-1 (2019).

3          Vellano, C. P. et al. Androgen receptor blockade promotes response to BRAF/MEK-targeted therapy. Nature 606, 797-803, doi:10.1038/s41586-022-04833-8 (2022).

4          Yang, C. et al. Androgen receptor-mediated CD8(+) T cell stemness programs drive sex differences in antitumor immunity. Immunity 55, 1-16, doi:10.1016/j.immuni.2022.05.012 (2022).