Дефицит железа запускает развитие по женскому типу у мышей с XY-кариотипом

При нормальном развитии у самцов млекопитающих бипотенциальные гонады дифференцируются в семенники под влиянием экспрессии гена Sry. У мышей экспрессия Sry жестко регулируется: она активируется только в соматических клетках гонад (предшественниках клеток Сертоли) и только в период с 10,5 по 12,5 день эмбриогенеза. Ранее было показано, что деметилаза KDM3A удаляет метку H3K9me2 и активирует экспрессию гена Sry. Для правильной работы KDM3A необходимы ионы железа (Fe²⁺), поэтому авторы исследования, опубликованного в Nature, выяснили, как связан метаболизм железа с правильным развитием пола у мышей.

Гены и белки, участвующие в клеточном метаболизме железа, можно разделить по функциям на три категории. Первые участвуют в захвате железа — Tfrc (кодирует TFR1) и Scara5 (SCARA5). Вторые вырабатывают ион железа Fe²⁺ — Steap3 (STEAP3), Slc11a2 (DMT1), Ncoa4 (NCOA4) и Hmox1 (HO1). Третьи участвуют в выведении железа — Slc40a1 (FPN) и Heph (HEPH).

Сначала ученые проанализировали активность этих генов во время формирования гонад у мышей. Оказалось, что гены захвата железа и выработки ионов экспрессируются активнее, чем гены выведения железа. Так что Fe²⁺ накапливаются в цитозоле и ядрах клеток, ответственных за формирование гонад. Используя ранее полученные данные секвенирования РНК единичных клеток, авторы подтвердили, что гены захвата и выработки ионов железа экспрессируются активнее всего в предшественниках клеток Сертоли у мышей. У человека с кариотипом XY эти гены также более активны в клетках, отвечающих за развитие организма по мужскому типу.

Чтобы выяснить, как влияет метаболизм железа на эпигенетическую регуляцию экспрессии гена Sry, ученые избирательно «выключили» ген Tfrc в соматических клетках гонад эмбрионов до определения пола. Уровень железа в соматических клетках гонад снизился, деметилирование было нарушено. Экспрессия Sry в исследуемых клетках была в два раза менее интенсивной, чем в контрольных. Из 39 экспериментальных мышей с кариотипом XY у шести наблюдалось развитие по женскому типу с двумя яичниками, у одной мыши развился и яичник, и семенник. В ряде in vitro опытов ученые подтвердили, что сниженная экспрессия Sry вызывается дефицитом железа и обуславливается сбоем в деметилировании гистона (H3K9).

Авторы также проверили, влияет ли дефицит железа у матери на определение пола у эмбрионов. Беременные мыши получали хелатор железа с 6,5 по 10,5 день эмбрионального развития плода. Из 72 XY-мышат четыре имели яичники вместо семенников, один мышонок — и яичник, и семенник. Экспрессия Sry у мышат была на 40% ниже, чем в контрольной группе.

Чтобы оценить, может ли такой же эффект оказать недостаточное количество железа в рационе, авторы содержали мышей на железодефицитной диете в течение шести недель (из них четыре — до беременности). У мышат снизилась концентрация внутриклеточного железа по сравнению с контрольной группой, однако все 58 мышат с кариотипом XY развились без аномалий.

В следующем эксперименте исследователи получили эмбрионы с мутацией в одной из копий гена Kdm3a. Мышата были фенотипически нормальными, но чувствительными к нарушенному деметилированию. У двух XY-мышат из 43, рожденных от матерей на железодефицитной диете, развились яичники. Таким образом, при определенных генетических особенностях дефицит железа в рационе мыши-матери может способствовать смене пола ее детенышей с мужского на женский.

Авторы показали, что внутриклеточный уровень железа играет важнейшую роль в процессе формирования гонад за счет эпигенетической регуляции гена Sry. Исследование подтверждает необходимость поддержания нормальной концентрации железа у беременных млекопитающих, особенно с генетическими факторами риска.

Половой диморфизм дрозофил зависит от активности регулятора сплайсинга TraF в каждой клетке