Jedan Nukleotid Može Preokrenuti Pol: Kako Mala Promena U Enhanceru Menja Razvoj

Novo istraživanje tima sa Univerziteta Bar‑Ilan pokazuje da promena jedne baze u nekodirajućem delu genoma može dramatično promeniti razvoj pola kod miševa. Studija, objavljena u Nature Communications, otkriva mehanizam kojim sitna mutacija u enhanceru nazvanom Enh13 pomera ravnotežu između programa za razvoj testisa i jajnika.

Šta su istraživači uradili

Istraživači su koristili CRISPR da u enhanseru Enh13 (557 bp, oko 500.000 baza udaljen od gena Sox9) naprave dve male mutacije: tro-baznu deleciju i jedno-baznu inserciju. Iako su različite, obe promene su imale snažan efekat na razvoj gonada.

The figure depicts the Enh13 regulatory region alongside the Sox9 gene as a “battle site” between the sexes. Pro-female factors act to repress Sox9 via binding to Enh13, while pro-male factors activate it. The balance between these opposing forces ultimately determines whether male or female development occurs. (CREDIT: NetaVarsano)

Neočekivani rezultati

Ukratko: XY embrioni sa bilo kojom od ovih mutacija razvili su se kao ženke, dok su XX jedinke koje nose mutacije razvile testise i mušku spoljašnju anatomiju. Testisi kod XX mišaka nisu proizvodili spermatozoide, jer su za spermatogenezu potrebni geni sa Y hromozoma.

Kako jedna baza pravi toliku razliku?

Ključ je u regulaciji ekspresije gena: Sox9 je glavni faktor za razvoj testisa, dok se kod XX jedinki njegova ekspresija normalno potiskuje nizom pro-ženskih faktora. Enh13 deluje kao regulatorna kontrolna tačka — u različitom molekularnom kontekstu može omogućiti ili inhibirati aktivaciju Sox9.

CRISPR technology allows researchers to edit genomes by altering DNA sequences to correct diseases. (CREDIT: Bar Ilan University)

"Jedno slovo DNK iz milijardi može izazvati dramatičnu razvojnu promenu," kaže dr Nitzan Gonen iz Bar‑Ilan tima.

Mehanizam otkriven u studiji nije prosto jače vezivanje SOX9. Umesto toga, male promene u sekvenci ili u rastojanju između vezivnih mesta menjaju međusobnu interakciju transkripcionih faktora: SOX9, RUNX1, NR5A1 i GATA4. Tačan raspored i razmak između ovih mesta je očuvan kod sisara i funkcionalno važan.

Jedno-bazna insercija dodatno stvara novo vezivno mesto za GATA4 pored RUNX1, što daje jači aktivirajući signal i ubrzanu diferencijaciju testisa u poređenju sa tro-baznom delecijom.

Small mutations in the SOX9 BS of Enh13 lead to ovotestis gonad development at embryonic stages. (CREDIT: Nature Communications)

Klinčke implikacije

Otprilike 1 od 4.000 novorođenčadi ima poremećaj određivanja pola (DSD). Više od polovine ovih slučajeva ne dobije genetsku dijagnozu kada se analizira samo kodirajući deo genoma. Nalazi ove studije sugerišu da male promene u nekodirajućim regulatornim regionima, poput Enh13, mogu objasniti deo neobjašnjenih slučajeva.

Autori su takođe identifikovali male duplikacije u regionu koji sadrži Enh13 kod ljudi sa 46,XX DSD. Iako mehanizmi duplikacija nisu potpuno razjašnjeni, moguće je da one menjaju regulatorno okruženje i pomeraju prag aktivacije Sox9.

Proposed mechanism of Enh13 activity in XY WT, XX WT, and mutant gonads. (CREDIT: Nature Communications)

Širi značaj

Studija ilustruje opšti princip u regulatornoj genomici: raspored i kombinacija vezivnih mesta unutar enhancera nisu slučajni, i male sekvencijske promene mogu suštinski promeniti trodimenzionalne interakcije proteina i regulaciju gena. Enh13 predstavlja koristan model jer mutacije u njemu ne izazivaju letalitet, već jasne i merljive fenotipske efekte.

Tim sa Univerziteta Bar‑Ilan planira dalje pretrage za dodatnim regulatornim regionima koji utiču na određivanje pola i druge razvojne poremećaje. Rezultati su dostupni u elektronskom izdanju Nature Communications.