Abstract SRY is the Y-chromosomal gene that determines male sex development in humans and most other mammals. After three decades of study, we still lack a detailed understanding of which domains of the SRY protein are required to engage pathway of gene activity leading to testis development. Some insight has been gained from the study of genetic variations underlying differences/disorders of sex determination (DSD), but the lack of a system of experimentally generating SRY mutations and studying their consequences in vivo has limited progress in the field. To address this issue, we generated a mouse model carrying a human SRY transgene able to drive male sex determination in XX mice. Using CRISPR-Cas9 gene editing, we generated novel genetic modifications in each of SRY ’s three domains (N-terminal, HMG box, and C-terminal) and performed detailed analysis of their molecular and cellular effects on embryonic testis development. Our results provide new functional insights unique to human SRY and the causes of DSD, and present a versatile and powerful system in which to demonstrate causality of SRY variations in DSD, to functionally study the SRY variation database, and to characterize new pathogenic SRY variations found in DSD.

ABSTRACT Male sex determination in mammals is initiated by SRY, a Y-encoded architectural transcription factor. The protein contains a high-mobility-group (HMG) box that mediates sequence-specific DNA bending. Mutations in SRY causing XY gonadal dysgenesis (Swyer syndrome) cluster in the box. Although such mutations usually arise de novo in spermatogenesis, some are inherited: male development occurs in one genetic background (the father) but not another (the sterile XY daughter). Here, we compare de novo and inherited mutations at an invariant Tyr adjoining the motif’s basic tail (consensus position 72; Y127C and Y127F in intact SRY). Crystal structures of homologous SOX-DNA complexes suggest that the wild-type side chain’s para -OH group anchors a water-mediated hydrogen bond to the DNA backbone. In an embryonic gonadal cell line, Y127C ( de novo ) led to accelerated proteasomal proteolysis and blocked transcriptional activity; activity remained low on rescue of expression by chemical proteasome inhibition. Y127F (inherited) preserved substantial transcriptional activity: 91(±11)% on SRY overexpression and 65(±17)% at physiological expression. Control studies indicated no change in protein lifetime or nuclear localization. Only subtle biophysical perturbations were observed in vitro . Although though inherited variant’s specific DNA affinity was only twofold lower than wild type, stopped-flow kinetic analysis revealed a sevenfold decrease in lifetime of the complex. Time-resolved fluorescence energy transfer (using a 15-base pair DNA site) demonstrated native mean DNA bending but with a slightly widened distribution of end-to-end DNA distances. Our findings highlight the contribution of a single water-mediated hydrogen bond to robustness of a genetic switch in human development.

Insulin glargine, the active component of basal clinical pharmaceutical formulations Lantus® and Toujeo® (Sanofi), provides a model for principles of therapeutic protein design. Formulated in solution at pH 4, insulin glargine exhibits a shifted isoelectric point (from pH 5.3 to neutral pH) due to a basic dipeptide B-chain extension (Arg B31 -Arg B32 ). In the first article in this series, we described pairwise substitution of Cys A6 and Cys A11 by seleno-cysteine (Sec; the 21 st encoded amino acid) by solid-phase peptide synthesis. 1 H- 2 H amide proton exchange, as monitored by 1 H-NMR spectroscopy, provides evidence that substitution of internal cystine A6-A11 by a diselenide bridge stabilizes the protein and damps segmental conformational fluctuations. Further, this analog and its major metabolites M1 and M2 (respectively denoting proteolytic derivatives lacking Arg B31 -Arg B32 or Thr B30 -Arg B31 -Arg B32 ) exhibit native hormonal activity in mammalian cell-based assays measuring dose-dependent autophosphorylation of the insulin receptor (pIR/IR ratio) and metabolic gene regulation in human liver-derived HepG2 cells. The internal diselenide bridge also did not alter respective baseline mitogenicities of insulin glargine or its proteolytic products as evaluated by a qPCR-based assay of the balance between proliferative and antiproliferative cyclin gene expression; the assays employed L6 myoblasts over-expressing mitogenic IR isoform A. Given such native function, shelf life—and hence global access to insulin in the developing world—may be enhanced by stabilizing diselenide chemistry.

The utility of halogenation in protein design is investigated by a combination of quantitative atomistic simulations and experiment. The approach is applied to insulin, a small, therapeutically relevant domain amenable to simulation and semi-synthesis. In a singly halogenated aromatic ring, the simulations predicted regiospecific inductive effects to modulate multiple surrounding electrostatic (weakly polar) interactions, thereby amplifying changes in thermodynamic stability. In accordance with the simulations, stabilization of insulin is demonstrated by single halogen atoms at the ortho position of an invariant phenylalanine (2-F-PheB24, 2-Cl-PheB24 and 2-Br-PheB24; ΔΔ G u = -0.5 to -1.0 kcal/mol) located at the edge of a protein crevice. Corresponding meta and para substitutions have negligible effects. The ortho-modified insulin analogs exhibit enhanced resistance to fibrillation above room temperature and retain biological activity in mammalian cells and in a rat model of diabetes mellitus. Consequently, halogen-based stabilization of insulin and other therapeutic proteins may provide a biophysical strategy to circumvent the requirement for a distribution “cold chain” in the developing world and enhance the shelf life of pharmaceutical formulations.

Abstract Objective To describe the clinical, histopathological and molecular features of a novel inherited SRY allele (p.Met64Val; consensus box position 9) observed within an extensive pedigree: two 46, XY sisters with primary amenorrhea (16 and 14 years of age; probands P1 and P2), their normal father and brother, and an affected paternal XY grandaunt. Design, Setting, Participants and Outcome Measurements Following DNA sequencing to identify the SRY mutation, hormonal studies of the probands and histopathological examination of their gonads were performed. Functional consequences of p.Met64Val (and other mutations at this site) were also investigated. Results Breast development in P1 and P2 was Tanner II and IV, respectively. Müllerian structures and gonads resembling ovaries were found in each sister. Histopathology revealed gonadal dysgenesis, gonadablastoma and dysgerminoma. AMH/MIS, P450 SCC, and P450 aromatase were expressed in gonadoblastoma tissues. Genomic sequencing revealed no candidate mutations in other genes related to sexual differentiation. Variant p.Met64Val impaired Sox9 transcriptional activation associated with attenuated occupancy of the testis-specific enhancers Enh13 and TESCO . Biophysical studies indicated that the mutant HMG box retains specific DNA binding and DNA bending but with accelerated rate of protein-DNA dissociation. Conclusion The partial biological activity of p.Met64Val SRY, maintained at the threshold of SRY function, rationalizes opposing paternal and proband phenotypes (the “the father-daughter paradox”). Steroidal biosynthesis by gonadoblastoma may delay genetic diagnosis and recognition of gonadal tumors. Quantitative assessment of inherited SRY alleles highlights the tenuous transcriptional threshold of developmental decision-making in the bipotential gonadal ridge.

Diverse heterozygous mutations in the human insulin gene cause a monogenic diabetes mellitus (DM) syndrome due to toxic misfolding of the variant proinsulin. Whereas mutations that add or remove cysteines (thereby leading to an odd number of thiol groups) generally lead to neonatal-onset DM, non-Cys-related mutations can be associated with a broad range of ages of onset. Here, we compare two mutations at a conserved position in the central B-chain α-helix: one neonatal in DM onset (Val B18 →Gly) and the other with onset delayed until adolescence (Ala B18 ). The substitutions were introduced within a 49-residue single-chain insulin precursor optimized for folding efficiency (Zaykov, A., et al. ACS Chem. Biol . 9, 683-91 (2014)). Although mutations are each unfavorable, Gly B18 (a) more markedly perturbs DesDi folding efficiency in vitro than does Ala B18 and (b) more severely induces endoplasmic reticulum (ER) stress in cell-based studies of the respective proinsulin variants. In corresponding two-chain hormone analogs, Gly B18 more markedly perturbs structure, function and thermodynamic stability than does Ala B18 . Indeed, the Gly B18 -insulin analog forms a molten globule with attenuated α-helix content whereas the Ala A18 analog retains a nativelike cooperative structure with reduced free energy of unfolding (ΔΔG u 1.2(±0.2) kcal/mole relative to Val B18 parent). We propose that mutations at B18 variably impede nascent pairing of Cys B19 and Cys A20 to an extent correlated with perturbed core packing once native disulfide pairing is achieved. Differences in age of disease onset (neonatal or adolescent) reflect relative biophysical perturbations (severe or mild) of an obligatory on-pathway protein folding intermediate.

Y-chromosome-encoded master transcription factor SRY functions in the embryogenesis of therian mammals to initiate male development. Through interactions of its conserved high mobility-group (HMG) box within a widened DNA minor groove, SRY and related Sox factors induce sharp bends at specific DNA target sites. Here, we present the crystal structure of the SRY HMG domain bound to a DNA site containing consensus element 5'-ATTGTT. The structure contains three complexes in the asymmetric unit; in each complex, SRY forms 10 hydrogen bonds with minor-groove base atoms in 5'-CATTGT/ACAATG-3', shifting the recognition sequence by one base pair (italics). These nucleobase interactions involve conserved residues Arg7, Asn10, and Tyr74 on one side of intercalated Ile13 (the cantilever side chain), and Arg20, Asn32 and Ser36 on the other. Unlike the less-bent NMR structure, DNA bend angles of the distinct box-DNA complexes range from 69-84°, similar to those observed in homologous Sox domain-DNA structures. Electrophoretic studies indicate that respective substitutions of Asn32, Ser36 or Tyr74 by Ala exhibit slightly attenuated specific DNA-binding affinity and bend angles (70-73°) relative to WT (79°). By contrast, respective substitutions of Arg7, Asn10 or Arg20 by Ala markedly impaired DNA-binding affinity in association with much smaller DNA bend angles (53-65°). In a rodent cell-based model of the embryonic gonadal ridge, full-length SRY variants bearing these respective, Ala substitutions exhibited significantly decreased transcriptional activation of SRY's principal target gene (Sox9). Together, our findings suggest that nucleobase-specific hydrogen bonds by SRY are critical for specific DNA binding, bending, and transcriptional activation.