Forscher entdecken wasserbasierten „Humpty-Dumpty“-Mechanismus der menschlichen Geschlechtsumkehr am Rande der Entwicklungsambiguität

Forscher der Indiana University School of Medicine haben einen molekularen „Klemm“-Mechanismus innerhalb eines männlich-spezifischen Protein-DNA-Komplexes entdeckt, dessen Mutation eine Geschlechtsumkehr verursacht: Kinder mit XY-Chromosomen, aber weiblichen Körpern, ein Zustand, der als Swyer-Syndrom bezeichnet wird. Die Klemme nutzt ein Wassermolekül, das den männlichen Faktor (als SRY bezeichnet) und DNA-Kontrollstellen an den schwachen Anfängen der männlichen Entwicklung überbrückt.

Die Studie konzentriert sich auf die subtile Substitution eines konservierten aromatischen Rests in SRY (Tyrosin) durch einen eng verwandten aromatischen Rest (Phenylalanin). Die klinische Mutation, die ein fruchtbarer XY-Vater und seine sterile XY-Tochter gemeinsam haben, positioniert den embryonalen männlichen Schalter an der Grenze der genetischen Funktion. Die beiden aromatischen Ringe sind in der Struktur des Proteins scheinbar austauschbar, unterscheiden sich jedoch in ihrer Fähigkeit, ein verbrückendes Wassermolekül im Protein-DNA-Komplex zu verankern.

„Der Verlust eines einzelnen Atoms in SRY, eines Sauerstoffatoms in einem kritischen Tyrosin, beeinträchtigt die Robustheit der männlichen Entwicklung“, sagte Michael Weiss, MD, Ph.D., Vorsitzender der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie.

„Normalerweise hat der Vater XY-Chromosomen und die Tochter XX-Chromosomen, aber in einigen Familien können die Töchter XY-Chromosomen haben, weil es eine Mutation in SRY gibt. Geschlechtschromosomen können über evolutionäre Zeitskalen degenerieren, was dazu führt, dass neue Upstream-Schalter rekrutiert werden männlich bestimmende Pfade wachsen rückwärts. Solche ersten Schritte können in biochemischer Hinsicht dürftig sein.

In der Studie konzentrierten sich die Forscher auf Position 72 in der DNA-Bindungsdomäne von SRY, die zuvor nicht als besonders interessant angesehen wurde. Die Forscher entdeckten jedoch, dass Tyrosin an dieser Position den Betrieb einer wasservermittelten kinetischen Klammer ermöglicht, wodurch die Lebensdauer des Protein-DNA-Komplexes verlängert wird.

Dieser Mechanismus ist in allen Säugetier-SRY-Faktoren konserviert und wird weithin in einer verwandten Familie von Schaltfaktoren in vielzelligen (und einigen einzelligen) Tieren beobachtet. Die letztere Familie mit der Bezeichnung „SOX“ (SRY-related HMG box) ist grundlegend für die Musterbildung und Entwicklung in Metazoen.

Forscher veröffentlichten kürzlich zwei Artikel über ihre Arbeit in Grenzen in der Endokrinologie. Die erste beschreibt ihre Ergebnisse in Bezug auf die Fokussierung auf Box 72, und die zweite beschreibt, wie der wasservermittelte Klemmmechanismus funktioniert. Weiss sagte, sie nennen es ein „humpty-dumpty“-Modell, weil der männlich bestimmende Protein-DNA-Komplex in Abwesenheit der wasservermittelten Klemme beschleunigt zerlegt wird.

„Weil die normale und die mutierte Version von SRY in experimentellen Standardtests so ähnlich sind“, sagte Joseph D. Racca, Ph.D., Assistenzprofessor für Forschung in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie und Erstautor der neuen Studie. „Die Aufdeckung des wasservermittelten Mechanismus dauerte mehrere Jahre. Kritische Einblicke lieferten Molekulardynamiksimulationen (MD) von Grenzwassermolekülen in diesem System.“

„In den MD-Simulationen wird ein markantes Wassermolekül durch das Tyrosin als Brücke zur DNA verankert: Dieser spezielle Ort der Hydratation ist für Tausende von Pikosekunden besetzt und wird dann verlassen“, sagte Weiss. „Aber dann springt fast sofort ein anderes Wassermolekül im Lösungsmittel an seine Stelle und stellt die Brücke wieder her.“

Der subtile Wechsel von Tyrosin zu Phenylalanin verändert diese Hydratation, eine Störung, die sich von Position 72 aus ausbreitet, von der vorhergesagt wurde, dass sie nachfolgende Protein-DNA-Kontakte im Schwanz der Domäne destabilisiert. Das Ablösen des Schwanzes würde die Dissoziation des Protein-DNA-Komplexes und vermutlich männlicher spezifischer genregulatorischer Anordnungen an Zielgenen beschleunigen.

Weibliche XY-Kinder mit Unterschieden in der Geschlechtsdifferenzierung aufgrund des Swyer-Syndroms haben keine funktionsfähigen Eierstöcke und sind gefährdet für seltene Formen von früh einsetzendem Gonadenkrebs. Die Erkennung dieses Syndroms ist wichtig, um die chirurgische Entfernung der Keimdrüsen zu ermöglichen, bevor der Krebs beginnt. Die betroffene Frau hat ansonsten eine normale Gebärmutter und einen normalen Geburtskanal und kann daher nach einer In-vitro-Fertilisation einer gespendeten Eizelle Kinder gebären.

Laut Weiss können analoge Mutationen in SOX-Genen auftreten und eine Vielzahl von Geburtsfehlern oder Krankheiten verursachen.

„Swyer-Mutationen liefern Hinweise, die uns helfen, ein breites Spektrum von SOX-Erkrankungen zu verstehen, und können zu deutlich verbesserten Protokollen für verschiedene Bereiche der Medizin führen, wie etwa regenerative Medizin oder Krebs“, sagte Weiss. „Diese Entdeckung geht also weit über die Geschlechtsbestimmung hinaus, denn SRY ist ein Prototyp-Schalter.“