|
| ||||||
|
Genetic Center |
версия для печати ДЕТЕРМИНАЦИЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОЛА Sex Determination and Differentiation David T. MacLaughlin, Ph.D., and Patricia K. Donahoe, M.D. N Engl J Med 2004; 350 (4):367-78 Референт: Солониченко В.Г. Опубликовано 21 февраля 2005 года Портал «Русский медицинский сервер»: http://www.rusmedserv.com Cайт «Генетика человека»: http://genetics.rusmedserv.com/ Адрес размещения материала: http://www.genetics.rusmedserv.com/refer/article_46.html Детерминация половых признаков эмбриона определяется набором половых хромосом, гены которых путем многих молекулярных воздействий обуславливают развитие герминативных клеток, их миграцию в область «урогенитального гребня» и последующей дифференциации в тестис ( при наличии Y-хромосомы – 46,ХY ) или яичник ( при наличии второй Х-хромосомы – 46,ХХ ). После стадии детерминации гонад начинается процесс половой дифференциации, который определяется поло-специфической чувствительностью периферических тканей к гормонам мужских или женских гонад. Все эти процессы детерминируются большим числом генов, многие из которых стали известны из экспериментов на мышах ( дикие формы или генетически модифицированные животные ). Некоторые из этих мутаций являются причиной важных клинических синдромов ( Табл.1 и Рис. 1 ). Знание молекулярных механизмов половой детерминации и дифференциации чрезвычайно важно для диагноза и лечения этих заболеваний. ГЕРМИНАТИВНЫЕ КЛЕТКИ Примордиальные герминативные клетки, которые в конечном итоге локализуются в гонадах, впервые возникают в проксимальном эпибласте ( наружный эктодермальный листок ) откуда они мигрируют вдоль стенки первичной кишки в специфическую область эмбриона – урогенитальный гребень – место будущей гонады ( Рис.2 ). Два гена - Fragilis и Stella - ответственны за дифференцировку примордиальных герминативных клеток (2). При миграции клеток к урогенитальному гребню влияние гена Fragilis уменьшается (уменьшается экспрессия гена), а влияние гена Stella отстается неизменным. Тем не менее, точные механизмы влияния этих генов на судьбу герминативных клеток остаются неясными. Fragilis ответственен за продукцию особого интерферон-индуцибельного трансмембранного белка, который участвует в антипролиферативных процессах и в механизмах адгезии. Stella транскрибирует новый белок, структура которого позволяет предполагать участие в процессах процессинга РНК и модификациях хроматина (3). Только те зародышевые клетки, которые достигают области урогенитального гребня, дифференцируются и выживают; зародышевые клетки вне этой области подвергаются апоптозу и погибают. Однако некоторое число этих клеток апоптозу не подвергаются, и они позже могут стать источниками герминативных опухолей (4). Мужские герминативные клетки Паттерны пролиферации мужских и женских герминативных клеток различны. Зародышевые ХY клетки подвергаются митозу в течение миграции, но вскоре после достижения гонад, их рост останавливается и они остаются в пределах яичка в неподвижной фазе (G0) клеточного цикла до момента рождения, находясь под влиянием неизвестного запрещающего фактора ( фактор ингибитора мейоза ) секретируемого клетками Sertoli или миоидными клетками (5). После рождения мужские зародышевые клетки возобновляют клеточный цикл и подвергаются мейотическому делению, в результате которого возникают гаплоидные сперматогонии. Клетки Sertoli «лелеют» зародышевые клетки, которые заканчивают сперматогенез в период половой зрелости под влиянием гонадотропинов, фолликуло-стимулирующего и лютеинизирующего гормонов гипофиза. Важные для этого процесса белки секретируются клетками Sertoli : цитокины, müllerian ингибирующие вещества, ингибин, активин, и инсулин-подобный фактор роста 1 (6). Женские герминативные клетки. В процессе миграции герминативных ХХ клеток к месту будущего яичника они подвергаются митозу, затем клетки входят в первые фазы мейотического деления и останавливаются в профазе 1 мейоза до момента рождения ( Рис.2 ). В этой стадии выжившие зародышевые клетки остаются окруженными единственным слоем соматических гранулезных клеток, где (как показано на мышах) стимулирующее аденилциклазой влияние поддерживает ооцит в этом примордиальном фолликулярном состоянии (7). Взаимодействие между ооцитами и окружением (гранулезные клетки) возникает в период полового созревания, когда «отдыхающие» примордиальные фолликулы стимулируются, превращаясь в первичные, вторичные, и преовуляторные фолликулы под влиянием фолликуло-стимулирующего гормона (8). В этом сложном процессе поддержания ооцита и контроля овуляцией участвует множество факторов: ооцит-дифференцирующий фактор 9 и BMP15, протеины 1,2 и 3 zona реllucida (9) и синергитически участвующие продукты гранулезных клеток. Синдромы отсутствующих герминативных клеток и отношение герминативных клеток к стволовым клеткам Герминативные клетки отсутствуют у мышей (piebald mice) мутантной линии (10) и в тестикулах «Sertoli-only» бесплодных мужчин с делецией длинного плеча Y-хромосомы – в регионах фактора азооспермии (azoospermia factor - AZF ), контролирующего сперматогенез (11). Недавнее определение ДНК последовательности Y-хромосомы (13) должно помочь в понимании структуры и функции этой хромосомы, особенно ее длинного плеча. В процессах миграции и выживания герминативных клеток участвует огромное множество факторов, которые детерминированы и генами аутосом, так, например, фактор стволовой клетки (14) кодируется локусом длинного плеча хромосомы 12. Кроме этого в этих процессах принимаю участие и другие факторы: фактор основного роста фибробластов (15), гликопротеид 130 (gp 130) и интерлейкин-6 (15,16). Исследования по изоляции эмбриональных герминативных клеток и данные по стволовым эмбриональным клеткам показывают сходство в отношении последующей диффренцировки эмбриона (17,18). Таким образом, биология зародышевой клетки внесла свой вклад в развитие биологии стволовой клетки. В свою очередь, эти открытия привели к бесчисленным этическим противоречиям и необходимости гарантий относительно незаконного репродуктивного клонирования людей (19). Синдромы гонадального дисгенеза. Исследования молекулярных событий, которые происходят в течение генетической детерминации пола, вместе с анализом фенотипов мышей, в которых ведущие гены были инактивированы соответствующей перекомбинацией (knockout mice), увеличили наше понимание патофизиологии некоторых клинических проявлений гонадального дисгенеза. Герминативные клетки мигрируют в область урогенитального гребня дифференцировка которого зависит от ряда факторов, включая факторы транскрипции: ген гомеобокса 2 (Emx2), GATA-4, Lim1, и Lim гомеобокс (Lhx9) ( Рис. 3 ). Мутации этих генов отвечают за дефекты гонад у мышей, однако сходные мутации у человека с аналогичными дефектами еще неизвестны. Тем не менее известны три гена, отвечающие за формирование урогенитального гребня у человека. Продукты супрессорного гена «опухоли Вильмса» (WT1) ответственны за формирование гонад и почек. Стероидогенный фактор (SF-1) и протеины врожденной Х-сцепленной гипоплазии надпочечников (DAX 1) ответственны за дифференцировку гонад и надпочеников ( Рис. 3 ). АНОМАЛИИ ГОНАД И ПОЧЕК Синдром Фразера и WT1 ( The Frasier Syndrome and WT1 ) Синдром Фразера характеризуется сочетанием дефекта гонад (полосковидные гонады) и нефротическим синдромом ( Рис.3 ). Заболевание возникает при кариотипе ХY с последующей реверсией пола. Экспериментальное исследование мутантных мышей (WT1-knockout mice) показывает, что ген вовлечен на ранних стадиях дифференцировки гонад и почек. Альтернативный сплайсинг WT1 гена у мышей может продуцировать 24 изоформы белка. Мутации двух этих изоформ ( -KTS и +KTS аминокислотные триплетные варианты ) вызывают отчетливые клинические проявления и демонстрируют важность этих изменений в детерминации пола у человека (21). При синдроме Frasier сайт WT1, который обычно сохраняет триплет KTS, видоизменен; поэтому, пациенты с синдромом производят только белок WT1 без KTS. Гонады, испытывающие недостаток в KTS уменьшают производство определяющего пол региона хромосомы Y (SRY) т.е. белка урогенитального гребня детерминирующего дифференцировку тестикул (21). Изучение пациентов с синдромом Frasier указывает, что вариант +KTS WT1 должен продуцироваться или в то же самое время или прежде, чем урогенитальный гребень производит SRY. Больные с кариотипом 46,ХY демонстрируют нефропатию и женский фенотип с сохраненными müllerian протоками. Тяжесть нефропaтии вариабельна и зависит от мутации, которая разрушает область KTS; некоторые генотипы приводят к почечной недостаточности в младенчестве, тогда как другие вызывают более умеренные формы нефротического синдрома, совместимого с длительным выживанием. Пациенты с синдромом Frasier, которые имеют инактивирующую KTS мутацию, не восприимчивы к опухоли Вилмса. Denys-Drash синдром и WT1 Мутации вне области KTS продуцируют белок WT1, который затрагивает позднюю дифференцировку гонад, приводя к синдрому Denys–Drash. При этом гонады дифференцируются более совершенно, чем гонады пациентов с синдромом Frasier. Таким образом эти больные имеют менее выраженные функциональные нарушения. Например, мужские гонады достаточно развиты, чтобы произвести müllerian ингибирующую субстанцию, которая гарантирует нормальный регресс müllerian протоков, но синтез тестостерона при этом нарушен. Хотя больные с кариотипом 46,ХY имеют в большинстве случаев преимущественно мужской фенотип, низкий уровень тестостерона может быть причиной мужского псевдогермафродитизма с различной степенью гипоспадии и крипторхизма (22). У пациентов с синдромом Denys–Drash отмечается высокая частота опухоли Вильмса и нефропатии с очаговым гломерулярным и мезангиальным склерозом с исходом в конечную стадию хронической почечной недостаточности и необходимостью трансплантации почек во второй или третьей декаде жизни. Эти различные клинические признаки определяются различными молекулярными WT1 вариантами альтернативного сплайсинга KTS амнокислотного триплета. Изучение пациентов с -KTS мутацией показывает необходимость скринирующего хромосомного исследования девочек с очаговым гломерулярным склерозом или нефротическим синдромом с целью своевременной диагностики ХY реверсии пола. Кроме того, мальчики с гипоспадией и крипторхизмом и при наличии протеинурии, могут иметь Denys–Drash синдром (+KTS вариант) и должны быть проверены тщательно обследованы с целью выявления центральной клубочковой нефропaтии и опухоли Вилмса. Опухоль Вильмса также может быть ассоциирована с аниридией, мочеполовыми аномалиями и умственной отсталостью – так называемый синдром WAGR (23). Этот сложный фенотип возникает в результате экспрессии ряда генов, расположенных проксимальнее гена WT1 локуса 11p13 (11 хромосома). Этот локус также ответственен за синдром Беквита-Видеманна, при котором также иногда возникает опухоль Вильмса (24). Гонадальные и надпочечниковые аномалии Стероидогенный фактор Другой важный ген в раннем гонадальном развитии – Sf-1 (25), кодирующий фактор транскрипции гомологичный рецептору стероидного гормона. Продукт этого гена может связываться с ДНК и таким образом регулирует экспрессию многих генов полового развития: müllerian ингибирующую субстанцию (21,26,27,28), все цитохром P-450 стероидные гидроксилазы (29), 3{beta}-гидроксистероид дегидрогеназу (30), которая регулирует синтез половых стероидных гормонов. У мышей мутация Sf-1-knockout является летальной в результате недоразвития надпочечниклов и гонад (31). У человека описана эта мутация с клиникой надпочечниковой недостаточности и реверсией пола при кариотипе 46,ХY (32,33). На мышах также показано, что ген WT-1 усиливает эффект гена Sf-1 (34)/ DAX1 Ген DAX1 кодирует протеин семейства ядерно-рецепторных белков (35). Мутации этого гена ассоциированы с врожденной гипоплазией надпочечников (36), синдромом надпочечниковой недостаточности, вследствии нарушенного формирования коры надпочечников и гипогонадотропным гипогонадизмом, как результат нарушения формирования гонад и гипофиза ( Рис.3 ). НА мышах показано, что ген DAX1 блокирует взаимодействие между генами WT1 и Sf-1 (34,37,38). Возможная роль гена DAX1 в клинике смешанной дисгенезии гонад Смешанная дисгенезия гонад (наличие асимметричных по полу гонад) часто сочетается с кариотипом 45,X/46,XY, однако в 40% случаев наблюдается кариотип 46,XY (39,40). Мозаицизм характеризуется наличием двух герминативных линий с различным хромосомным набором (41). Процент клеток с интактным XY генотипом диктует степень тестикулярной дифференциации. В классическом случае с одной стороны обнаруживаются полосковидная гонада, а с другой - дисгенетическое фибротическое яичко с нарушенной тубулярной структурой, с сохраненными müllerian протоками (дефицит müllerian ингибирующей субстанции) и неполной маскулинизацией в результате дефицита тестостерона. Не совсем ясно, почему гонадальная асимметрия является определяющим клиническим признаком, однако вероятно, это можно объяснить хромосомным мозаицизмом по половым хромосомам. Полосковидная гонада, напоминающая таковые при синдроме Тернера, по-видимому, является следствием потери Y-хромосомы. Фенотип больных со смешанной дисгенезией гонад может варьировать от практически нормальных при рождении, по сравнению с таковыми при чистой дисгенезии гонад (см. ниже), но с большой вероятностью к последующей ранней дегенерации с неопластической трансформацией (39,40). Менее тяжелый фенотип обнаруживается у пациентов с кариотипом 45,X/46,XY. Так в настоящее время этот кариотип находят у фенотипически нормальных мальчиков при проведении пренатальной хромосомной диагностики (41). Х-сцепленный молекулярный продукт, подобный продукту гену DAX1 может играть роль в клинике смешанной дисгенезии гонад ( Рис. 3, и Рис. 4 ), так как DAX1 подавляет дифференцировку тестикул (35). Присутствие двух Х-хромосом , хотя и в различных клетках ( одна от 45, XO и другая от 46, XY ) могут быть достаточны для обеспечения чрезмерной экспрессии продукта DAX1. Это концепция подтверждается наблюдениями случаев синдрома Клайнфельтера где присутствие добавочной Х-хромосомы (47,XXY) обуславливает нарушение развития герминативных клеток (42). SRY и SRY гомеобоксные гены при чистой дисгенезии гонад Пациенты с чистой дисгенезией гонад характеризуются билатеральными полосковидными гонадами с нарушенной дифференцировкой. Анализ этих пациентов и эксперименты на животных показали, что ген SRY локализуется в дистальном регионе короткого плеча Y-хромосомы. Кроме того, выявлены гомологи этого гена на аутосомах – SRY homeobox gene SOX9. Важное значение этого гена как выключателя тестикулярной дифференцировки было окончательно подтверждено в опытах на мышах, когда «введение» этого гена ( Sry transgene ) в кариотип ХХ определял мужской фенотип у животных (43). Мутации этого гена были найдены в группе женщин с кариотипом 46,ХY и клиникой чистого гонадального дисгенеза. У пациентов обнаруживаются уменьшенные и фиброзные полосковидные гонады с 2-х сторон с трудно интерпритируемой гистологией гонад в отношении половой дифференцировки (44). Кампомелическая дисплазия – тяжелое врожденное заболевание, характеризующееся кариотипом 46,ХY с полной реверсией пола, полосковидными гонадами и выраженными скелетными деформациями. Описаны пациенты с этим заболеванием и транслокацией в дистальном регионе длинного плеча хромосомы 17 (17q), где расположен ген SRY homeobox SOX9 (45), а также с делецией короткого плеча 9 хромосомы (9p). Известны и другие гены связанные с реверсией пола у низших животных (46). Гены SOX9 и SRY – совместно экспрессируются (коэкспрессия) только в мужском урогенитальном гребне, но не в женском эмбрионе – таким образом эти гены, при их наличии, участвуют в детерминации тестикул ( Рис. 3 ). Факт того, что ген SOX9 активизирует транскрипцию müllerian ингибирующей субстанции (28,47) подтверждает мнение о критической роли этого гена в мужской гонадальной детерминации. Истинный гермафродитизм При этом состоянии у больных обнаруживаются как мужские, так и женские гонады - как с одной стороны, так и контрлатерально. Это заболевание редко встречается в Северной и Южной Америке, но весьма обычно в Африке и на Ближнем Востоке. Обычно отмечается асимметрия гонад и, в последующем, наружных половых органов. Тестикулы, яичники или овотестис присутствуют в различных комбинациях у пациентов с преимущественно кариотипом 46,XX (48). Фенотип наружных половых органов предопределяется доминирующей гонадой. При истинном гермафродитизме дисгенез гонад выражен менее сильно, чем у больных при смешанной дисгенезии гонад (49). Молекулярные события, приводящие к этому уникальному дефекту неясны, но несколько случаев были доказаны перемещением фрагмента, содержащего ген SRY к загадочному участку (cryptic site) на X-хромосоме (50). Агенезия Mюллеровых протоков Недифференцированная гонада обнаруживается и с мужскими и с женскими репродуктивными протоками. Парамезонефрос или Müllerian протоки, формируют матку, фаллопиевы трубы, и верхнее влагалище. Мезонефрос или Wolffian протоки формируют семявыносящий проток, семенные пузырьки и придаток яичка. Ген PAX2 транскрипционного фактора – общий ген, необходимый для нормального развития мезодермы обеих полов. Мутации этого гена у мыши приводят к агенезии производных Вольфовых и Мюллеровых протоков и агенезии почек (51). Мутация этого гена описана и у человека и приводит к возникновению похожего синдрома «почки-колобома» (52). Нарушение дифференцировки Мюллеровых протоков возникает у женщин с кариотипом 46,ХХ при синдроме Майера-Рокитанского-Кюстера-Хазера (Mayer-Rokitansky-Kuster-Hauser syndrome), который характеризуется сочетанием агенезии влагалища или полной Мюллеровой агенезией с аномалиями почек - от тазовой дистопии до агенезии почки (53). Генетической причиной этой патологии может быть инактивация гена Wnt-4. Продукт этого гена секретируется эпителием Мюллеровых протоков и индуцирет развитие Мюллеровой мезенхимы. Ранняя инактивация этого гена обуславливает нарушение формирования производных Мюллеровых протоков у обеих полов. Тем не менее, клинический эффект этой инактивации обнаруживается только у женщин. У нормальных мужчин регрессия Мюллеровых протоков происходит под влиянием Müllerian-ингибирующей субстанции. Сопутствующие дефекты почек летальны у мыши (54,55), но у человека эти аномалии почек часто совместимы с жизнью. Гомеобоксные траскрипционные факторы 9,10,11, и 13 необходимы для нормального развития матки и влагалища – мутации этих генов ответственны за дефекты – атрезии матки и влагалища (56). Мутации аллеля Hoxa13 являются причиной синдрома «кисти-стопы-гениталии», при котором отмечаются дефекты кисти и стопы в сочетании с аномалиями влагалища, гипоспадией у мужчин, аномалиями позвоночника и экстрофией мочевого пузыря (57). С 1971 года известен тератоген диэтилстильбестрол (diethylstilbestrol) вызывающий нарушение развития Мюллеровых протоков (59). Известный факт супрессии диэтилстильбестролом других генов Wnt (Wnt-7a) и нарушение экспрессии Hox гена в ткани Мюллеровых протоков мышей доказывает наличие молекулярных взаимодействий этого тератогена с возникновением аденоматоза или карциномы влагалищы (59). Функциональные аномалии полового развития После нормального морфологического развития гонад, мутации генов тестикулярных гормонов (müllerian-ингибирующая субстанция или рецепторы к этой субстанции) могут приводить к аномалиям с сохраненными Мюллеровыми протоками. Нарушение продукции тестостерона или мутации рецепторов тестостерона могут продуцировать 46,XY фенотипических женщин или фенотипических мужчин с различной степенью пониженной маскулинизации. С другой стороны – у пациентов с врожденной гиперплазией надпочечников гиперпродукция андрогенов может быть причиной женского псевдогермафродитизма при кариотипе 46,ХХ. Синдром персистенции Мюллеровых протоков Синдром возникает у мужчин с кариотипом 46,XY как редкая форма мужского псевдогермафродитизма в результате дефекта гена müllerian-ингибирующей субстанции (21,61,62,63) расположенного на хромосоме 19p13 (64) или гена его рецептора (type II receptor) на хромосоме 12q13 (65). У больных отмечается персистенция производных мюллеровых протоков и крипторхизм (одно-или двусторонний). Может отмечаться перекрестная тестикулярная эктопия с формированием грыжевых образований мошонки с вовлечением производных мюллеровых протоков и гонад (61,66). Мужской псевдогермафродитизм Другие практически значимые случаи мужского псевдогермафродитизма связаны с нарушением продукции андрогенов или с неадэкватной чувствительностью к андрогенам. В этих случаях формируется неполная маскулинизация у пациентов с кариотипом 46,XY. Клинический спектр варьирует от легкого нарушения маскулинизации (гипоспадия, крипторхизм) до полной реверсии пола ( Рис. 4 ). Андроген-рецепторные мутации (67,68) при синдроме андрогенной нечувствительности могут проявляться в виде крипторхизма ( яички интраабдоминальной локализации или в паховых каналах), но структуры Вольфовых протоков и наружные гениталии не в состоянии ответить на высокие уровни тестостерона и его метаболита дегидротестостерона. Адекватная секреция müllerian-ингибирующей субстанции при этом заболевании тем не менее заканчивается полной регрессией мюллеровых протоков. Другие причины нарушенной вирилизации обусловлены дефектами синтеза тестостерона у пациентов с мутациями стероидогенных ферментов ответственных за конверсию холестерола в дигидротестостерон – стероидогенный регуляторный протеин (69), цитохром P-45 17-гидроксилаза (70), 3{beta}-гидроксистероид дегидрогеназа (71), и 17-кетостероид редуктаза (72). Эти дефекты являются причиной низкого уровня андрогенов. Мутации гена 5{alpha}-редуктаза тип 2 (73) определяют низкие уровни дигидротестостерона, который в свою очередь является причиной мошоночной или промежностной гипоспадии, prepenile scrota и увеличенной простатической маточки, что часто требует хирургической коррекции (73,74,75). Как и при синдроме андрогенной нечувствительности отмечается регрессия мюллеровых протоков, так как нормальные клетки Сертоли продуцируют нормальные или повышенные уровни müllerian-ингибирующей субстанции (76,77,78). Многие генетические мужчины с дефицитом 5{alpha}-редуктазы тип 2 рождаются с женскими наружными половыми органами и далее воспитываются как женщины. Врожденная гиперплазия надпочечников Заболевание обусловлено неспособностью надпочечника к достаточному синтезу кортизола (80), приводит к дополнительному синтезу тестостерона, что заканчивается выраженной маскулинизацией женщин с кариотипом 46, XX. Более тяжелые формы характеризуются снижением продукции альдостерона и потерей солей (80). Наиболее частые мутации гена фермента цитохром Р-450 21-гидроксилазы (81,82,83); менее частые (5%) - мутации 3{beta}-гидроксистероид дегидрогеназа (71). Наиболее редкие – 11{beta}-гидроксилазы дефицит, при которой может возникать пренатальная или постнатальная вирилизация (84,85). Недостаточное производство кортизола и, как следствие, нарушение обратных связей в гипоталамической-гипофизарно-надпочечной оси вызывает избыток кортикотропной продукции, что обуславливает гиперплазию коры надпочечников. Кроме того, предшественники кортизола активируют другие метаболические пути стероидов, что обуславливает высокие уровни надпочечных андрогенных стероидов, которые в свою очередь резко маскулинизируют женские гениталии ( Рис. 4 ). Яичники и мюллеровы протоки нормальные, так как на этой стадии развитие этих структур независимо от половых стероидов. Диагностика заболевания возможна на пренатальной стадии с возможностью ранней терапии матери (дексаметазон) с целью нормализации фенотипа наружных половых органов (80,83,86). Хирургическая коррекция может быть проведена в период младенчества (87). Address reprint requests to Dr. MacLaughlin or Dr. Donahoe at the Pediatric Surgical Research Laboratories, Massachusetts General Hospital, Boston, MA 02114, or at maclaughlin@helix.mgh.harvard.edu or donahoe.patricia@mgh.harvard.edu. References
|
