Одна буква ДНК полностью отменяет женскую биологию. Ученые поменяли пол эмбрионам, переписав микроскопический фрагмент генома

Иногда судьбу эмбриона меняет не крупная перестройка генома, а почти незаметная правка в одном коротком участке ДНК. Исследователи показали, что у мышиных эмбрионов женского пола одна-единственная замена в важной регуляторной области может запустить развитие мужских половых органов.

В норме у мышиных эмбрионов с двумя X-хромосомами формируются яичники. Такой путь сохраняется потому, что ген Sox9 остаётся подавленным. Для эмбрионов с набором XY картина другая: Sox9 включается и запускает развитие семенников. Именно вокруг управления этим геном и строится значительная часть механизма определения пола.

Основную роль здесь играет не участок, кодирующий белок, а так называемая некодирующая область ДНК. Такие фрагменты не служат инструкцией для сборки белков, но могут управлять активностью других генов, включая критически важные. В случае с Sox9 речь идёт об участке Enh13. Ранее уже было известно, что у самцов мышей удаление Enh13 ломает обычный мужской сценарий развития, и эмбрионы с XY-хромосомами начинают формировать женские половые органы. До сих пор, однако, не было понятно, может ли вмешательство в тот же участок так же сильно повлиять на эмбрионы с XX-хромосомами.

Группа Ницан Гонен из Университета Бар-Илан показала, что может. Исследователи изменили обе копии Enh13 у мышиных эмбрионов женского пола и увидели совсем не тот результат, который ожидали от XX-набора хромосом. Вместо обычного женского пути развития у таких эмбрионов формировались мужские наружные половые органы и небольшие семенники. При этом одной изменённой копии оказалось недостаточно: эмбрионы, у которых была повреждена только одна из двух копий Enh13, развивались по женскому варианту.

Авторы работы предлагают объяснение, которое делает картину заметно сложнее прежней. По их мнению, Enh13 работает сразу в двух ролях. Участок не только усиливает активность Sox9, когда нужен мужской путь развития, но и помогает подавлять тот же ген в ситуации, когда должны формироваться яичники. Иначе говоря, в одном коротком фрагменте ДНК сходятся сигналы, которые толкают развитие в противоположные стороны.

Для специалистов по генетике пола такой результат особенно важен потому, что он помогает разобрать сам механизм выбора между двумя программами развития. Исследовательница Кэти Айерс из Мельбурна называет работу первой, где удалось настолько ясно раскрыть, за счёт чего эмбрион идёт либо по пути формирования яичников, либо по пути формирования семенников.

Практический смысл у работы тоже вполне очевидный. Область, аналогичная Enh13, важна и для человека. При нарушениях полового развития примерно в половине случаев врачи до сих пор не могут дать генетический диагноз. Одна из причин проста: стандартный поиск мутаций долгое время был сосредоточен в основном на кодирующих участках генома, то есть там, где находятся инструкции для белков. Некодирующие зоны часто оставались в стороне, хотя именно они могут управлять включением и выключением критически важных генов. Новые данные подсказывают, что мелкие изменения в участке вроде Enh13 тоже стоит искать у людей с подобными нарушениями.

История открытия развивалась постепенно. Несколько лет назад та же группа уже участвовала в работе, которая связала Enh13 с определением пола. В 2018 году исследователи показали, что удаление этого энхансера у XY-мышей приводит к развитию женских органов. Затем, в 2024 году, команда пошла точнее и удалила не весь участок целиком, а отдельные его части, к которым прикрепляются транскрипционные факторы. Речь идёт о белках, которые регулируют активность генов и по сути решают, когда ген должен работать, а когда оставаться выключённым. Даже такое более тонкое вмешательство вновь приводило к смене полового пути у XY-эмбрионов.

Новая работа оказалась ещё интереснее, потому что масштаб вмешательства стал почти микроскопическим. Исследователи убрали всего три нуклеотида в одном из сайтов связывания, и результат снова оказался тем же. Более того, сработало даже добавление одного-единственного нуклеотида. Для генетики подобный эффект выглядит особенно наглядно: речь уже не о крупной перестройке важной зоны, а о минимальном редактировании, которое тем не менее меняет развитие целого органа.

Сами авторы сначала не поверили, что настолько маленькая правка может сработать. Когда аспирант впервые заметил, что часть самок развила мужские органы, Ницан Гонен решила, что произошла ошибка. Команда повторила наблюдение на другом помёте и убедилась, что результат воспроизводится. После этого исследователи проверили, что происходит с гонадами эмбрионов на более ранней стадии развития.

У XX-эмбрионов, которые получили две копии мутации, будь то удаление трёх нуклеотидов или добавление одного, в гонадах одновременно появлялись и ткани яичника, и ткани семенника. То есть организм не просто полностью переключался из одного режима в другой, а входил в смешанное состояние. У мышей, которые несли только одну мутантную копию, половые органы развивались нормально.

Такой результат хорошо показывает, насколько чувствительной может быть регуляция в некодирующей части генома. Иногда решающее значение имеет не большой дефект, а крошечный сдвиг в участке, который управляет чужой активностью. Эволюционный генетик Клэр Холлели отмечает, что работа наглядно показывает влияние даже очень малых изменений в некодирующих областях ДНК на развитие половых органов.

Есть и ещё один важный вывод. Энхансерные участки часто сохраняются у разных видов на протяжении эволюции. Если Enh13 и похожие элементы действительно устроены по схожим принципам у разных животных, результаты на мышах могут оказаться полезными не только для медицины человека, но и для более широкого понимания того, как вообще в природе регулируется половое развитие.

Работа не означает, что учёные нашли универсальный ответ на все вопросы о формировании пола. Зато теперь стало намного яснее, насколько тонко устроен этот выбор и как много решает маленький фрагмент ДНК, который сам по себе не кодирует ни одного белка. Следующий логичный шаг уже виден: искать похожие микромутации в некодирующих участках человеческого генома и проверять, не скрывается ли там часть пока неразгаданных причин нарушений полового развития.