Белок SRY и инициация определения пола у млекопитающих.

Введение

Белок, инициирующий определение пола у самцов у терий — млекопитающих.

Белок, определяющий пол по Y-хромосоме (SRY), или фактор, определяющий развитие яичек (TDF), — это белок, связывающий ДНК (также известный как генный регуляторный белок/фактор транскрипции), кодируемый геном SRY, который отвечает за инициирование определения пола у самцов у терий (плацентарных млекопитающих и сумчатых). SRY — это ген, определяющий пол, не содержащий интронов, расположенный на Y-хромосоме. Мутации в этом гене приводят к различным нарушениям развития пола с разнообразным влиянием на фенотип и генотип индивида. SRY является членом семейства генов SOX (SRY-подобный участок), кодирующих белки, связывающие ДНК. В комплексе с белком (SF 1) SRY действует как фактор транскрипции, вызывающий повышение экспрессии других факторов транскрипции, в первую очередь SOX9. Эффекты гена SRY обычно проявляются через 6–8 недель после формирования плода, что подавляет развитие женских анатомических структур у самцов. Он также способствует развитию вторичных половых признаков у самцов.

Эволюция

SRY мог возникнуть в результате дупликации гена SOX3, связанного с Х-хромосомой, который является членом семейства SOX. Эта дупликация произошла после разделения монотрем и терий. Монотремам не хватает гена SRY, и некоторые из их половых хромосом имеют гомологию с половыми хромосомами птиц. SRY – быстро эволюционирующий ген, и его регуляцию сложно изучать, поскольку определение пола не является высококонсервативным признаком в животном царстве. Даже у сумчатых и плацентарных, использующих SRY в процессе определения пола, действие SRY различается в зависимости от вида. Другие гены на Y-хромосоме человека произошли из автосомы, которая слилась с первоначальной Y-хромосомой. Из-за низкой степени консервации, промотор SRY, регуляторные элементы и механизмы регуляции изучены недостаточно. В родственных группах млекопитающих наблюдается гомология в пределах первых 400–600 пар оснований (bp) вышестоящих от сайта начала трансляции. In vitro исследования промотора гена SRY человека показали, что для функционирования промотора SRY необходим участок длиной не менее 310 bp вышестоящий от сайта начала трансляции. Показано, что связывание трех факторов транскрипции – стероидного фактора 1 (SF1), специфического белка 1 (Sp1) и белка опухоли Вильмса 1 (WT1) – с последовательностью промотора гена SRY человека влияет на экспрессию SRY. В промоторной области также имеются два сайта связывания WT1, расположенные на расстоянии 78 и 87 bp от кодона ATG. WT1 – это фактор транскрипции, содержащий четыре цинковых пальца в C-концевом участке и богатый Pro/Glu N-концевой участок, который преимущественно функционирует как активатор. Мутация цинковых пальцев или инактивация WT1 приводит к уменьшению размеров мужских половых желез. Делеция гена приводит к полной смене пола. Механизм, посредством которого WT1 повышает регуляцию SRY, неясен, но некоторые исследования предполагают, что он способствует стабилизации процесса обработки мРНК. FOG содержат мотивы цинковых пальцев, способные связываться с ДНК, однако нет доказательств взаимодействия FOG2 с SRY. Исследования показывают, что FOG2 и GATA4 ассоциируются с белками, осуществляющими ремоделирование нуклеосом, что может приводить к активации гена.

SRY may have arisen from a gene duplication of the X chromosome bound gene SOX3, a member of the SOX family. This duplication occurred after the split between monotremes and therians. Monotremes lack SRY and some of their sex chromosomes share homology with bird sex chromosomes. SRY is a quickly evolving gene, and its regulation has been difficult to study because sex determination is not a highly conserved phenomenon within the animal kingdom. Even within marsupials and placentals, which use SRY in their sex determination process, the action of SRY differs between species. The other genes on the human Y chromosome arose from an autosome that fused with the original Y chromosome. Because there is little conservation, the SRY promoter, regulatory elements and regulation are not well understood. Within related mammalian groups there are homologies within the first 400–600 base pairs (bp) upstream from the translational start site. In vitro studies of human SRY promoter have shown that a region of at least 310 bp upstream to translational start site are required for SRY promoter function. It has been shown that binding of three transcription factors, steroidogenic factor 1 (SF1), specificity protein 1 (Sp1 transcription factor) and Wilms tumor protein 1 (WT1), to the human promoter sequence, influence expression of SRY. The promoter region also has two WT1 binding sites at 78 and 87 bp from the ATG codon. WT1 is transcription factor that has four C terminal zinc fingers and an N terminal Pro/Glu rich region and primarily functions as an activator. Mutation of the zinc fingers or inactivation of WT1 results in reduced male gonad size. Deletion of the gene resulted in complete sex reversal. It is not clear how WT1 functions to up regulate SRY, but some research suggests that it helps stabilize message processing. FOGs have zinc finger motifs that can bind DNA, but there is no evidence of FOG2 interaction with SRY. Studies suggest that FOG2 and GATA4 associate with nucleosome remodeling proteins that could lead to its activation.

Функция

Во время беременности клетки примордиальной половой железы, расположенные вдоль урогенитального гребня, находятся в бипотенциальном состоянии, то есть обладают способностью дифференцироваться либо в мужские клетки (клетки Сертоли и клетки Лейдига), либо в женские клетки (клетки фолликула и клетки теки). Ген SRY инициирует дифференцировку яичка, активируя специфические для мужчин факторы транскрипции, которые позволяют этим бипотенциальным клеткам дифференцироваться и пролиферировать. SRY осуществляет это, повышая экспрессию SOX9 – фактора транскрипции с сайтом связывания ДНК, очень похожим на сайт связывания SRY. SOX9 приводит к повышению экспрессии фактора роста фибробластов 9 (Fgf9), который, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение экспрессии SOX9. Как только достигается достаточный уровень SOX9, бипотенциальные клетки половой железы начинают дифференцироваться в клетки Сертоли. Кроме того, клетки, экспрессирующие SRY, продолжают пролиферировать, формируя примордиальный яичник. Этот краткий обзор описывает основные этапы процесса, однако на половую дифференцировку влияет множество других факторов.

Действие в ядре

Белок SRY состоит из трех основных областей. Центральная область включает в себя домен группы высокой подвижности (HMG), который содержит последовательности ядерной локализации и функционирует как домен связывания ДНК. C-концевой домен не имеет консервативной структуры, а N-концевой домен может быть фосфорилирован для усиления связывания ДНК. В частности, именно HMG-область SRY связывается с малой бороздкой целевой последовательности ДНК, вызывая изгиб и раскручивание ДНК. Установление этой специфической "архитектуры" ДНК облегчает транскрипцию гена Sox9. Затем белок SOX9 инициирует петлю положительной обратной связи, в которой SOX9 выступает в роли собственного фактора транскрипции, что приводит к синтезу большого количества SOX9. Считается, что SOX9 и SRY также отвечают за многие последующие процессы развития яичек (такие как дифференцировка клеток Лейдига, формирование половых шнуров и формирование сосудистой системы, специфичной для яичек), хотя точные механизмы остаются неясными. Однако было показано, что SOX9 в присутствии PDG2 действует непосредственно на Amh (кодирующий антимюллеровский гормон) и способен индуцировать формирование яичек в гонадах мышей с кариотипом XX, что указывает на его жизненно важное значение для развития яичек. Синдром XX-мужчин возникает, когда организм имеет кариотип 46:XX и SRY присоединяется к одной из хромосом посредством транслокации. Люди с синдромом XX-мужчин имеют кариотип XX, но являются мужчинами. У людей с одним из этих синдромов может наблюдаться задержка полового созревания, бесплодие и признаки роста, соответствующие полу, с которым они себя идентифицируют. У людей с синдромом XX-мужчин могут развиваться молочные железы, а у людей с синдромом Свайера могут расти волосы на лице. + Синдром Клайнфельтера: Наследование нормальной Y-хромосомы и множественных X-хромосом, что приводит к кариотипу XXY. Люди с этим синдромом считаются мужчинами. Синдром Свайера: Если ген SRY перемещается на X-хромосому вместо того, чтобы оставаться на Y-хромосоме, развитие яичек прекращается. Характеризуется кариотипом XY и женским фенотипом. У людей обычно сформированы матка и фаллопиевы трубы, но половые железы не функционируют. Синдром XX-мужчин: Характеризуется организмом с кариотипом 46:XX и присоединением SRY к одной из хромосом посредством транслокации. У людей кариотип XX и мужской фенотип. Хотя наличие или отсутствие SRY обычно определяет, происходит ли развитие яичек, предполагается, что существуют и другие факторы, влияющие на функциональность SRY. Поэтому есть люди, у которых есть ген SRY, но все же развиваются как женщины, либо из-за дефекта или мутации самого гена, либо из-за дефекта одного из способствующих факторов. Это может произойти у людей с кариотипом XY, XXY или XX, положительным по SRY. Кроме того, другие системы определения пола, основанные на SRY помимо XY, включают процессы, происходящие после присутствия или отсутствия SRY в развитии эмбриона. В нормальной системе, если SRY присутствует у XY, SRY активирует мозговой слой для развития гонад в яички. Затем вырабатывается тестостерон, который инициирует развитие других мужских половых признаков. И наоборот, если SRY отсутствует у XX, SRY отсутствует из-за отсутствия Y-хромосомы. Отсутствие SRY позволяет коре эмбриональных гонад развиться в яичники, которые затем вырабатывают эстроген и приводят к развитию других женских половых признаков.

The SRY protein consists of three main regions. The central region encompasses the high mobility group (HMG) domain, which contains nuclear localization sequences and acts as the DNA binding domain. The C terminal domain has no conserved structure, and the N terminal domain can be phosphorylated to enhance DNA binding. Specifically, it is the HMG region of SRY that binds to the minor groove of the DNA target sequence, causing the DNA to bend and unwind. The establishment of this particular DNA "architecture" facilitates the transcription of the Sox9 gene. SOX9 protein then initiates a positive feedback loop, involving SOX9 acting as its own transcription factor and resulting in the synthesis of large amounts of SOX9. SOX9 and SRY are also believed to be responsible for many of the later processes of testis development (such as Leydig cell differentiation, sex cord formation, and formation of testis specific vasculature), although exact mechanisms remain unclear. It has been shown, however, that SOX9, in the presence of PDG2, acts directly on Amh (encoding anti Müllerian hormone) and is capable of inducing testis formation in XX mice gonads, indicating it is vital to testes development. On the other spectrum, XX male syndrome occurs when a body has 46:XX Karyotype and SRY attaches to one of them through translocation. People with XX male syndrome have a XX Karyotype but are male. Individuals with either of these syndromes can experience delayed puberty, infertility, and growth features of the opposite sex they identify with. XX male syndrome expressers may develop breasts, and those with Swyer syndrome may have facial hair. +Klinefelter Syndrome Inherit a normal Y chromosome and multiple X chromosomes, giving persons a karyotype of XXY. Persons with this are considered male. Swyer Syndrome SRY gene is transferred to the X chromosome instead of staying on the Y chromosome, testis development will no longer occur. Characterized by an XY karyotype and female phenotype. Individuals have normally formed uteri and fallopian tubes, but the gonads are not functional. XX Male Syndrome Characterized by a body that has 46:XX Karyotype and SRY attaches to one of them through translocation. Individuals have XX karyotype and male phenotype. While the presence or absence of SRY has generally determined whether or not testis development occurs, it has been suggested that there are other factors that affect the functionality of SRY. Therefore, there are individuals who have the SRY gene, but still develop as females, either because the gene itself is defective or mutated, or because one of the contributing factors is defective. This can happen in individuals exhibiting a XY, XXY, or XX SRY positive karyotype. Additionally, other sex determining systems that rely on SRY beyond XY are the processes that come after SRY is present or absent in the development of an embryo. In a normal system, if SRY is present for XY, SRY will activate the medulla to develop gonads into testes. Testosterone will then be produced and initiate the development of other male sexual characteristics. Comparably, if SRY is not present for XX, there will be a lack of the SRY based on no Y chromosome. The lack of SRY will allow the cortex of embryonic gonads to develop into ovaries, which will then produce estrogen, and lead to the development of other female sexual characteristics.

Роль в других заболеваниях

Было показано, что SRY взаимодействует с андрогенным рецептором, и у людей с XY-кариотипом и функциональным геном SRY может наблюдаться внешне женский фенотип из-за основного синдрома нечувствительности к андрогенам (AIS). У людей с AIS неспособность адекватно реагировать на андрогены обусловлена дефектом в гене андрогенного рецептора, и у пораженных людей может быть полная или частичная AIS. SRY также связана с тем, что у мужчин риск развития заболеваний, связанных с дофамином, таких как шизофрения и болезнь Паркинсона, выше, чем у женщин. SRY кодирует белок, который контролирует концентрацию дофамина – нейротрансмиттера, передающего сигналы из мозга, контролирующие движение и координацию. Исследования на мышах показали, что мутация в SOX10, факторе транскрипции, кодируемом SRY, связана с доминантным мегаколоном у мышей. Эта мышиная модель используется для изучения связи между SRY и болезнью Хиршпрунга, или врожденным мегаколоном у людей. Данная миссенс-мутация вызывает дефектный хондрогенез, или процесс формирования хряща, и проявляется в виде скелетной дисплазии (CD). Две трети пациентов с CD и кариотипом 46,XY демонстрируют колебания в степени полового реверсивного развития. В конце 1990-х годов ряд профессиональных организаций в США, включая Американскую медицинскую ассоциацию, призвали к отмене гендерной верификации, указав на неопределенность и неэффективность используемого метода. Однако впоследствии появились другие методы тестирования, основанные на уровнях гормонов.

Продолжающиеся исследования

Несмотря на прогресс, достигнутый за последние несколько десятилетий в изучении определения пола, гена SRY и его белка, исследования в этих областях продолжаются. В молекулярной сети, определяющей пол, остаются факторы, которые предстоит идентифицировать, а хромосомные изменения, вовлеченные во многие другие случаи смены пола у человека, до сих пор неизвестны. Ученые продолжают поиск дополнительных генов, определяющих пол, используя такие методы, как микроскрининг генов генитального вала на различных стадиях развития, мутагенезный скрининг у мышей на фенотипы смены пола и выявление генов, на которые воздействуют факторы транскрипции с помощью иммунопреципитации хроматина. В другом исследовании на мышах была применена технология TALEN для создания SRY-нокаут модели. У этих мышей развились наружные и внутренние гениталии, а также наблюдался нормальный для самок уровень циркулирующего тестостерона. Несмотря на наличие XY-хромосом, эти мыши демонстрировали нормальный эстральный цикл, хотя и с пониженной фертильностью. Оба исследования подчеркнули роль SRY в развитии яичек и других мужских репродуктивных органов.