Podstawy molekularne funkcjonowania układu rozrodczego
Lucjusz Jakubowski
Zakład Genetyki Instytutu Centrum Zdrowia Matki Polki w Łodzi
Katedra Patologii Ogólnej i Doświadczalnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi
1. Wprowadzenie
Rozwój układu rozrodczego także u Homo sapiens jest podstawą utrzymania ciągłości gatunku. Proces determinacji gonad i różnicowania się ich cech morfologicznych, budowa anatomiczna narządów płciowych oraz uzyskanie przez cały układ sprawności funkcjonalnej, pozostaje pod kontrolą wielu dziesiątek genów. Działają one zgodnie z określoną sekwencją (kaskadą) zdarzeń, a także wchodzą we wzajemne interakcje [1] [2] [3][4][5]. Końcowym efektem funkcji układu płciowego jest powstanie gamet, które w czasie zapłodnienia dają początek życia kolejnemu pokoleniu, które powinno posiadać zdolność do dalszego rozrodu.
Zachodząca w czasie gametogenezy rekombinacja informacji genetycznej (crossing over) zawartej w DNA oraz jego mutacje pod wpływem czynników wewnętrznych i zewnętrznych, stanowią o zmienności osobniczej w obrębie gatunku. Ma to też zasadnicze znaczenie w procesie ewolucji.
Zaburzenia rozwojowe i czynnościowe układu płciowego mogą być uwarunkowane mutacjami pojedynczych genów (np. udokumentowane pod tym kątem przypadki nieprawidłowej determinacji gonad, defekty steroidogenezy, zespół niewrażliwości na androgeny, wybrane zakłócenia funkcjonowania osi podwzgórze-przysadka itp), wystąpić w przypadkach aberracji chromosomowych (szczególnie chromosomów płciowych X i Y) lub mieć uwarunkowania wieloczynnikowe, zarówno z punktu widzenia genetycznego jak i środowiskowego (przykładowo izolowane wady gonad i narządów płciowych).
W rozwoju układu płciowego należy odróżnić proces determinacji gonady (sex determination) od różnicowania się narządów płciowych (sex differentiation), co zależy wtórnie od typu gonady powstałej z gonady pierwotnej.
Praktyczne znaczenie z klinicznego punktu widzenia ma wyodrębnienie pojęć płci chromosomowej (XY lub XX, choć jak wyniknie z dalszej części rozdziału uwarunkowania genetyczne rozwoju układu płciowego wykraczają szeroko poza chromosomy płciowe), płci gonadalnej (jądro, jajnik), płci hormonalnej (zależnie od typu gonady), płci fenotypowej (kierunek rozwoju narządów płciowych zależny od aktywności hormonalnej różnicującej się gonady) oraz płci metrykalnej zależnej od fenotypu.
Wady rozwojowe zewnętrznych narządów płciowych mogą być podstawą rozpoznania cech obojnactwa rzekomego męskiego [pseudohermaphroditismus masculinus; płeć chromosomowa (XY) oraz gonadalna (jądro) męska, ale niepełna maskulinizacja zewnętrznych narządów płciowych (spodziectwo o różnym stopniu ciężkości, wady moszny)] lub żeńskiego [pseudohermaphroditismus femininus; płeć chromosomowa (XX) oraz gonadalna (jajnik) żeńska, ale zaznaczone w różnym stopniu cechy maskulinizacji zewnętrznych narządów płciowych (jak przykładowo w przypadkach wrodzonego przerostu kory nadnerczy u noworodków płci żeńskiej)]. Obojnactwo rzekome należy traktować jako objaw, a nie rozpoznanie kliniczne, gdyż może ono mieć wiele przyczyn z etiopatogenetycznego punktu widzenia (mutacje monogenowe, aberracje chromosomowe, uwarunkowania wieloczynnikowe, teratogenny wpływ czynników środowiskowych). Dopiero prawidłowe rozpoznanie przyczyn zaburzeń objawiających się obojnactwem rzekomym (ustalenie rzeczywistego rozpoznania) może być podstawą prawidłowej terapii. Jej kierunek i zakres może zależeć od prognozowanej przyszłej orientacji seksualnej osoby chorej.
Obojnactwo rzekome należy różnicować z obojnactwem prawdziwym. Do jego rozpoznania upoważnia współistnienie u tego samego pacjenta struktur zarówno jajnika jak i jądra (po przeciwległych stronach lub po tej samej stronie pod postacią ovotestis).
Szczególną grupę zaburzeń stanowią przypadki sex-reversal - niezgodności między płcią chromosomową a fenotypową - przykładowo XY-kobiety w przypadkach dysgenezji gonad (nie należą do tej grupy fenotypowe kobiety o kariotypie 46,XY w przypadkach całkowitej postaci zespołu niewrażliwości na androgeny) oraz XX-mężczyźni lub
XX-hermafrodyci.
Zarówno dla rozwoju narządów płciowych jak i dla funkcjonowania układu płciowego kluczowe znaczenie ma aktywność hormonalna gonad. Niedomoga hormonalna gonad jest określana ogólnym pojęciem hipogonadyzmu. Jest to również, podobnie jak w odniesieniu do omawianego wyżej pojęcia obojnactwa rzekomego, określenie pewnej grupy objawów, a nie rozpoznanie kliniczne. Hipogonadyzm dzieli się na hipogonadyzm hipergonadotropowy (pierwotny) związany z pierwotnym uszkodzeniem gonady (różnie uwarunkowane agenezje, dysgenezje, mieszane dysgenezje, atrofie gonad, niektóre defekty steroidogenezy) oraz hipogonadyzm hipogonadotropowy (wtórny), zależny od niesprawnej czynności osi podwzgórze-przysadka bądź z powodów uwarunkowań genetycznych (przykładowo
w wyniku mutacji genów gonadotropin lub ich receptorów, genu KAL1 w zespole Kallmanna, genu DAX1 w połączeniu z wrodzonym niedorozwojem kory nadnerczy), bądź działania czynników pozagenetycznych prowadzących np. do uszkodzenia przedniego płata przysadki.
Odrębne zagadnienie stanowią izolowane, niekiedy drobne wady rozwojowe narządów płciowych męskich i żeńskich (spodziectwo, wnętrostwo, wady rozwojowe macicy itp.). Mogą być one uwarunkowane genetycznie lub być efektem działania w czasie embriogenezy czynników środowiskowych. Niektóre spośród nich mogą nie mieć istotnego znaczenia dla sprawności czynnościowej układu płciowego, choć część wymaga tak czy inaczej korekty chirurgicznej. W sporadycznych przypadkach wady takie są jednak jedynym objawem poważniejszych zaburzeń układowych - np. spodziectwo w zespole
XX-mężczyzny, wnętrostwo jednostronne w mieszanych dysgenezjach gonad w powiązaniu
z aberracjami chromosomów płciowych, różnie zlokalizowane przepukliny lub wady rozwojowe zewnętrznych narządów płciowych w niektórych postaciach zespołu niewrażliwości na androgeny itp.
Spośród uwarunkowań genetycznych rozwoju i funkcji układu płciowego omówione zostaną tylko wybrane zależności, mające najistotniejsze znaczenie z punktu widzenia klinicznego.
2. Podstawy embriogenezy układu moczowo-płciowego
Rozwój gonady oraz narządów płciowych przebiega na wielu etapach wspólnie z rozwojem układu moczowego. Dlatego też mutacje genów zaangażowanych w omawiany proces mogą się klinicznie objawiać anomaliami współistniejącymi w obrębie obu układów. Wiedza dotycząca rozwoju układu płciowego pochodzi zarówno z badań doświadczalnych nad przebiegiem embriogenezy u zwierząt jak i z porównań genotypowo-fenotypowych u ludzi. Ekspresja wielu genów, warunkująca wzajemne, subtelne interakcje między nimi, ma miejsce niekiedy w przedziałach zaledwie godzinowych. Wiele czynników wpływających na rozwój gonady i narządów płciowych działa na poziomie transkrypcyjnym. Ich zadaniem jest sprawna aktywacja jak i hamowanie (wyciszanie) ekspresji genów docelowych. Ważnym jest zatem poznanie zewnątrzkomórkowych ligandów, ich receptorów w obrębie błony komórkowej, uruchamianych szlaków sygnałowych i ich znaczenia dla transkrypcji, która przekłada się na ekspresję genu w zakresie przypisywanej mu roli.
Część blastomerów na wczesnym etapie rozwoju zarodka różnicuje się w kierunku pierwotnych komórek płciowych (komórek prapłciowych). Te, migrując, zasiedlają grzebień płciowy (gonadalny; listewkę płciową) wyodrębniający się z grzebienia moczowo-płciowego. Jest to etap wspólny dla obu typów gonad. Różnicowanie się komórek prapłciowych pozostaje poza kontrolą chromosomów płciowych. Do kluczowych w tym zakresie należą geny IFITM1 oraz DPPA3 (Tab. I) [6]. Produkt genu IFITM1, należący do białek przezbłonowych, wpływa prawdopodobnie już na wczesnym etapie różnicowania się komórek prapłciowych na ich zdolności do migracji, poprzez zmiany adhezji i odłączenie się od otaczających komórek somatycznych. Określa także kompetencje komórek prapłciowych. DPPA3 poprzez wyciszanie transkrypcji genów specyficznych dla komórek somatycznych nadzoruje zachowanie przez komórki prapłciowe ich pluripotencjalności podczas migracji do grzebienia płciowego. Ekspresja obu genów jest modyfikowana przez białko BMP4, posiadające zdolność zarówno do hamowania jak i aktywacji transkrypcji genów docelowych. Jego inaktywacja, z zahamowaniem wtórnie ekspresji genów IFITM1 i DPPA3, prowadzi do braku komórek prapłciowych i uniemożliwia rozwój gonady. Spośród komórek migrujących te, które docierają do grzebienia płciowego podlegają dalszemu różnicowaniu. Pozostałe są eliminowane na drodze apoptozy. Komórki przetrwałe mogą być w sporadycznych przypadkach źródłem guzów nowotworowych wywodzących się z komórek zarodkowych. Grzebień płciowy zasiedlony przez komórki prapłciowe stanowi gonadę pierwotną o bipotencjalnych możliwościach różnicowania się zarówno w kierunku jądra, jak i jajnika. O dalszym kierunku tego procesu decyduje skład chromosomów płciowych, co zostanie omówione w dalszej części rozdziału.
Równolegle z różnicowaniem się i wędrówką komórek prapłciowych po każdej stronie pnia aorty dochodzi do rozwoju z mezodermy pośredniej grzebienia moczowo-płciowego. Z niego wyodrębnia się w osi podłużnej leżący przyśrodkowo, wspomniany już wyżej, grzebień płciowy (gonadalny) oraz położony bardziej bocznie grzebień nerkotwórczy. Kolejne etapy rozwoju i zaniku struktur grzebienia nerkotwórczego [przednercze, śródnercze, nerka ostateczna (zanercze)] od części głowowej do ogonowej, są w praktyce ekspresowym odtworzeniem procesu ewolucji w rozwoju układu moczowo-płciowego. Naturalną konsekwencją bipotencjalnych możliwości różnicowania się pierwotnej gonady jest jednoczesne istnienie na początku rozwoju embrionalnego zawiązków narządów płciowych wewnętrznych zarówno męskich jak i żeńskich. Przednercze i śródnercze w rozwoju embrionalnym człowieka ulegają zanikowi. Jedynie fragment śródnercza przylegający do grzebienia płciowego zapoczątkowuje rozwój najądrza w przypadku różnicowania się gonady męskiej. Przewód śródnercza przekształca się natomiast w przewód Wolffa dający początek przewodowi najądrza. W niższym odcinku przewód Wolffa wraz z tkankami otaczającymi tworzy nasieniowód. Dolny fragment przewodu śródnercza jest też punktem wyjścia pączka moczowodowego. Etap różnicowania się gonady poprzedza również powstanie kanałów Müllera (przewody przyśródnerczowe). Powstają one w wyniku wpuklenia się mezodermalnego nabłonka jamy ciała w boczną ścianę śródnercza. Kanały Müllera stanowią zawiązek wewnętrznych narządów płciowych żeńskich.
Rozwój struktur wywodzących się z grzebienia moczowo-płciowego odbywa się przy współudziale szeregu czynników transkrypcyjnych. Należą do nich między innymi produkty genów EMX2, GATA4, LHX1 (LIM1), LHX9 (Ryc. 1, Tab. I), DMRT 1-2, których mutacje, przynajmniej na modelu zwierzęcym, prowadzą do różnego typu nieprawidłowości lub wręcz braku rozwoju gonad. Brak czynności genu LHX9 prowadzi nie tylko do zahamowania proliferacji komórek somatycznych gonady mimo prawidłowej migracji komórek prapłciowych lecz także powoduje obniżoną ekspresję genu SF1. Należy w tym miejscu podkreślić, że ciągle jest to jeszcze etap rozwoju pierwotnej gonady niezależny od składu chromosomów płciowych X i Y.
Gen SF1 podobnie jak geny WT1 i DAX1 (Ryc. 1, Tab. I), ma zasadnicze znaczenie dla wczesnych etapów rozwoju układu moczowo-płciowego u wielu gatunków, także u człowieka.
Ekspresja genu SF1 odgrywa kluczową rolę w tkankach, w których ma miejsce steroidogeneza - korze nadnerczy, komórkach Leydiga w jądrze, komórkach osłonki i warstwy ziarnistej pęcherzyków jajnika oraz w ciałku żółtym. SF1 odgrywa także rolę, synergistycznie z izoformą (-KTS) genu WT1, w regulacji ekspresji genu AMH (Anti Müllerian Hormone; patrz niżej) w komórkach Sertoliego. Wymaga to prawdopodobnie udziału dodatkowego kofaktora obecnego tylko w tych komórkach. AMH odpowiada za zanik kanałów Müllera, gdy różnicuje się jądro (zostanie to omówione niżej). Synergizm w działaniu genów SF1 i WT1 stoi w opozycji do funkcji genu DAX1, mającego istotne znaczenie w determinacji gonady. Ekspresja genu SF1 ma również znaczenie dla gonadotropowej funkcji podwzgórza i przysadki. Klinicznie zaburzenia czynności genu SF1 mogą objawiać się zaburzeniami rozwojowymi nadnerczy, jąder (XY sex-reversal), u innych chorych cechami obojnactwa rzekomego męskiego, przetrwaniem u płodów płci męskiej struktur po kanałach Müllera, nieprawidłową funkcją układu podwzgórze przysadka w zakresie wydzielania gonadotropin. U kobiet z kariotypem 46,XX opisywano mutacje SF1 z towarzyszącą niewydolnością nadnerczy, jednakże bez zmian wielkości i struktury jajników.
W rozwoju nadnerczy i gonad istotną rolę odgrywa również gen DAX1. Podlega on także ekspresji w podwzgórzu i przysadce. DAX1 jest represorem transkrypcji genu SF1. Nie wyjaśniono jak dotąd, dlaczego geny DAX1 i SF1, warunkujące prawidłowy rozwój nadnerczy, pozostają podczas embriogenezy w opozycji do siebie. Ich ekspresja ma miejsce w komórkach kory nadnerczy również w życiu postnatalnym. W różnicującej się gonadzie pierwotnej początkowo ma miejsce koekspresja obu genów. Z chwilą powstania płodowego jądra wzmaga się w nim ekspresja SF1, a obniża DAX1. U dorosłych ponownie oba geny podlegają ekspresji w komórkach Sertoliego i Leydiga w jądrze oraz w komórkach tekalnych i pęcherzykowych jajnika.
DAX1 hamuje także ekspresję genów zaangażowanych w proces steroidogenezy. Dotyczy to nie tylko podstawowego w tym zakresie genu STAR lecz także genów CYP11A i HSD3B2 (Tab. III). Odwrotnie działa czynnik transkrypcyjny SP1 (OMIM 189906) [7].
Utrata funkcji genu DAX1 prowadzi do wrodzonego niedorozwoju kory nadnerczy oraz hipogonadyzmu hipogonadotropowego (HH). HH zależny jest zarówno od niedoboru GnRH jak i obniżonego wydzielania gonadotropin w odpowiedzi na resztkowe ilości gonadoliberyny. Niepłodność tych chorych jest wypadkową małych ilości gonadotropin oraz pierwotnego defektu spermatogenezy. Znanych jest ponad 80 mutacji genu DAX1. Część z nich manifestuje się mniej nasilonymi objawami hipogonadyzmu oraz niedomogi kory nadnerczy i to dopiero w późniejszym okresie życia. Duplikacje w obrębie ramion krótkich chromosomu X (region Xp21) obejmujące gen DAX1 prowadzą w efekcie podwojonej dawki tego genu do XY sex reversal.
Gen WT1 podlega ekspresji w grzebieniu gonadalnym (listewce płciowej), ale także w nerkach oraz zróżnicowanych już gonadach (w komórkach Sertoliego w jądrze lub komórkach ziarnistych jajnika). Jego mutacje lub delecje mają znaczenie etiopatogenetyczne w przypadkach izolowanych guzów Wilmsa [WT1 należy do grupy, genów supresorowych (antyonkogenów) w procesie transformacji nowotworowej, t. zw. antyonkogenów] oraz
w zespołach Denys-Drasha, Frasiera, WAGR (Tab. I). W tym ostatnim dochodzi do delecji genów sąsiadujących w ramionach krótkich chromosomu 11 (11p), z udziałem poza WT1 także genu PAX9, odpowiadającego za aniridię. Wszystkim wymienionym zespołom towarzyszy zjawisko XY sex-reversal. Jak już wspomniano WT1 bierze także udział w regulacji ekspresji genu AMH.
3. Znaczenie chromosomów płciowych w procesie determinacji gonady.
Porównanie prawidłowego kariotypu kobiety 46,XX i mężczyzny 46,XY oraz analiza korelacji genotypowo-fenotypowych w przypadkach aberracji liczbowych chromosomów płciowych [45,X (zespół Turnera) i 47,XXY (zespół Klinefeltera; także 48,XXXY, 48,XXYY, 49,XXXXY)] pozwalało sugerować, że dla kierunku dalszego różnicowania się pierwotnej gonady istotny jest skład chromosomów płciowych. Dalsze badania wykazały, że kluczową rolę w procesie różnicowania się jądra odgrywa chromosom Y. Zakładano, że zlokalizowany jest w nim hipotetyczny czynnik warunkujący różnicowanie się jądra (TDF - Testis Determining Factor). Analiza mapy delecyjnej w przypadkach aberracji strukturalnych chromosomu Y wiązała się z wielokrotnymi zmianami lokalizacji TDF. Ostatecznie stwierdzono, że warunki stawiane TDF spełnia gen SRY zlokalizowany w obrębie ramion krótkich chromosomu Y (Yp) na granicy regionu pseudoautosomalnego (PARY)
i Y-specyficznej euchromatyny Yp [8] (Ryc. 2). Gen SRY koduje białko o charakterze czynnika transkrypcyjnego, zawierającego wysoce konserwatywny region odpowiadający 79 aminokwasom, określający znaczną predyspozycję do łączenia się z homologicznym motywem DNA (HMG-box: High mobility group). Kompleks taki może swoiście aktywować lub hamować funkcje innych genów, w ramach wzajemnych interakcji. Białko SRY należy do dużej rodziny spokrewnionych białek określanych jako SOX (SRY-box related). W różnicującym się jądrze gen SRY współdziała z genem SOX9 (Ryc. 2; Tab. I). W badaniach doświadczalnych obserwuje się mniej więcej równoczesną ekspresję Sry i Sox9 w komórkach prekursorowych dla komórek Sertoliego. Zakłada się, że gen SOX9 może mieć udział w aktywacji genu SRY, który zwrotnie wzmacnia ekspresję genu SOX9 [9]. Odpowiedni poziom ekspresji SOX9 w komórkach Sertoliego ma w dalszym etapie istotne znaczenie w procesie aktywacji genu odpowiedzialnego za wydzielanie przez te komórki AMH. Podobnie jak dla SOX9 komórki prekursorowe dla komórek Sertoliego są jednym z miejsc ekspresji genu DAX1. Istnieją dowody na to, że ekspresja SRY i DAX1 ma miejsce nie tylko w tych samych komórkach lecz także w przybliżeniu w tym samym czasie. W doświadczeniach u myszy udowodniono, że konstrukt złożony z sekwencji kodującej genu Sry i promotora genu Dax1 indukuje różnicowanie się pierwotnej gonady w kierunku jądra. Jak wspomniano wyżej duplikacje DAX1 w obrębie regionu DSS [Dosage Sensitive Sex Reversal] powodują proces odwrotny - zahamowanie różnicowania jądra u płodów XY. SRY, SOX9 i DAX1 muszą zatem wchodzić we wzajemne interakcje (Ryc. 2).
W toku ewolucji w chromosomie Y ulokowane zostały również geny i sekwencje odpowiedzialne za przebieg spermatogenezy, składające się one na pojęcie czynnika odpowiedzialnego za azoospermię (AZF; Azoospermia Factor). Zlokalizowane są głównie w obrębie ramion długich tego chromosomu (Yq; Ryc. 3), w regionach AZFa-c. Wykonywane są badania pod kątem mikrodelecji w ich obrębie u niepłodnych mężczyzn z nieobturacyjną azoospermią niewiadomego pochodzenia.
Do genów odpowiadających za spermatogenezę należy przede wszystkim gen DAZ (Deleted in Azoospermia; znany także jako SPGY; OMIM 400003) oraz rodzina genów RBM (RNA Binding Motif; YRRM 1 i 2; OMIM 400006)]. W regulacji spermatogenezy może brać udział także gen USP9Y (Ubiquitin-specific Protease 9, Y chromosome; DFFRY; OMIM 400005). W tym samym regionie AZFa wymienia się gen DBY (Dead/h Box 3, Y-linked; OMIM 400010) oraz rodzinę genów CDY (Chromodomain protein, Y chromosome; OMIM 400012, .16, .18) w regionie AZFc. W ramach badań przesiewowych u mężczyzn z oligo- i azoospermią badane są także specyficzne sekwencje STS (Sequence Tagged Site).
Delecje w obrębie AZF stwierdza się z częstością od 4% mężczyzn z oligozoospermią, do 18% u mężczyzn z idiopatyczną azoospermią, u których wykluczono wcześniej obturacyjne przyczyny zmian w nasieniu. Przeważają delecje genu DAZ (region AZFc). W 15% przypadków stwierdza się mikrodelecje w obrębie AZFb i tylko 5% w AZFa [10]. W przypadkach zakwalifikowania mężczyzny z mikrodelecją do ICSI nieuniknione jest jej przekazanie każdemu z synów pacjenta [11].
3.1. Zjawisko niezgodności między płcią chromosomową a fenotypową (sex-reversal).
Znaczenie genów SRY, SOX9 i DAX1 analizowane jest w badaniach nad etiopatogenezą przypadków sex-reversal. U 10-15% fenotypowych kobiet z (czystą) dysgenezją gonad i kariotypem 46,XY, posiadających gen SRY [SRY(+) XY-kobiety], rozpoznaje się jego mutacje. Lista znanych mutacji obejmuje ponad 30 pozycji. W części przypadków rozpoznawano je rodzinnie, także u ojców lub braci pacjentek. Wtedy jednak nie mogą być traktowane jako przyczyna dysgenezji gonad. Znaczenie praktyczne mają te mutacje, które uniemożliwiają lub osłabiają zdolność wiązania z DNA SRY-specyficznego białka działającego jako czynnik transkrypcyjny. W przeważającej grupie 85% SRY(+) pacjentek nie stwierdza się mutacji tego genu. Wśród XY-kobiet z dysgenezją gonad wyodrębnia się także grupę pacjentek SRY(-), u których przyczyną braku SRY mogą być aberracje strukturalne z utratą ramion krótkich chromosomu Y (Yp), a także rekombinacje między Xp i Yp. W obu grupach jako przyczynę dysgenezji gonad można wówczas podejrzewać duplikacje DAX1, mutacje SOX9 lub udział innych genów wiązanych ze zjawiskiem sex-reversal. Poza omawianymi już wyżej zmianami strukuralnymi genów WT1 i SF1 opisano mutacje genu DHH (Desert hedgehog homolog; OMIM 605423) zarówno w przypadkach XY-sex reversal jak i w mieszanej dysgenezji gonad, z kariotypem 45,X/46,XY [12]. Ekspresja genu DHH ma miejsce w komórkach prekursorowych dla komórek Sertoliego i w zróżnicowanej już ich postaci, bezpośrednio po odnotowaniu ekspresji genu SRY. Produkt tego genu może też być regulatorem stymulującym różnicowanie się komórek Leydiga.
Niezależnie od cech hipogonadyzmu hipergonadotropowego wiążącego się z dysgenezją gonad, obecność chromosomu Y stanowi u tych kobiet o prawie 30% ryzyku wyjścia z gonad nowotworów o typie gonadoblastoma lub dysgerminoma (seminoma). Stanowi to o wskazaniach do profilaktycznej, obustronnej gonadektomii.
Innym przykładem sex-reversal są fenotypowi mężczyźni z kariotypem 46,XX. U 80% spośród nich stwierdza się obecność w genomowym DNA genu SRY. Najczęściej jest to efekt nieuprawnionego crossing-over między chromosomami X i Y w czasie spermatogenezy ojca pacjenta. Objęcie w tym procesie fragmentu wykraczającego poza region pseudoautosomalny (PARY; PseudoAutosomal Region of Y chromosome) (Ryc. 3) ramion krótkich chromosomu Y (Yp) [13], może spowodować przeniesienie genu SRY na chromosom X. Zapłodnienie z udziałem plemnika zawierającego chromosom X z genem SRY zaowocuje różnicowaniem się gonady w kierunku jądra ze wszystkimi dalszymi skutkami fenotypowymi tego faktu. U części chorych rozpoznaje się translokacje większego fragmentu ramion krótkich chromosomu Y (Yp), zawierającego gen SRY, na chromosom X. Lokalizację genu SRY lub większych, stranslokowanych fragmentów Yp można potwierdzić metodą FISH (Fluorescence In Situ Hybrydization).
Gen SRY stwierdza się ze znacznie mniejszą częstością u XX-hermafrodytów. W przypadkach SRY(+) XX-hermafrodytyzmu przyczyną nieprawidłowej determinacji gonady (gonad) może być preferencyjna inaktywacja chromosomu X pochodzenia ojcowskiego [14]. Również w przypadkach translokacji Yp na chromosom X, jego inaktywacja może być przyczyną nieprawidłowego różnicowania się gonady. Byłoby to zgodne z hipotezą Lyon o losowej (random) inaktywacji jednego z dwóch chromosomów X u zdrowej XX-kobiety i nielosowej (nonrandom) inaktywacji chromosomu X o nieprawidłowej stukturze.
W grupie SRY(-) XX-mężczyzn i XX-hermafrodytów różnicowanie się struktur jądra może zależeć od ukrytej mozaikowatości międzytkankowej z udziałem linii komórkowych SRY-pozytywnych. Opisywano rodzinne współistnienie przypadków XX-mężczyzn
i XX-hermafrodytów SRY(+). Nie można także pominąć znaczenia duplikacji regionu Xp21→Xp22 w analizie przyczyn niektórych przypadków XX-hermafrodytyzmu i supresją genu SRY wiążącą się z disomią wspomnianego wyżej regionu DSS reprezentowanego przez gen DAX1 [15][16]. W etiopatogenezie przypadków występujących rodzinnie możliwy jest też udział genów autosomalnych.
Mutacje genu SOX9 [17] mogą prowadzić do współistnienia XY-sex reversal
w ¾ przypadków dysplazji kampomelicznej (Tab. I). Natomiast w przypadkach XY-sex reversal bez towarzyszącej CD nie stwierdzono dotychczas żadnych mutacji SOX9 [18]. Intrygujące jest stwierdzenie duplikacji genu SOX9 u fenotypowego SRY(-) chłopca, co może stanowić dodatkowe potwierdzenie znaczenia tego genu w procesie różnicowania jądra [19].
Opisywano współistnienie przypadków XY-sex reversal z monosomiami 9p [20][21] lub 10q [22]. Zjawisko Sex reversal zależne od genów zaangażowanych we wczesne etapy embriogenezy układu moczowo-płciowego omówiono wyżej.
3.2. Hermafrodytyzm prawdziwy
Uzupełniając uwagi dotyczące hermafrodytyzmu prawdziwego warto nadmienić, że w przypadkach tych struktury ovotestis rozpoznawane są w 45% analizowanych gonad. 21% gonad ocenia się jako jajniki, a 12.5% stanowią jądra. W wielu pozostałych gonadach są to struktury mieszane o niskim stopniu zróżnicowania. Uwarunkowania genetyczne
XX-hermafrodytyzmu omówiono w części dotyczącej sex-reversal. Opisywane są przypadki XY-hermafrodytów. Mogą one zależeć od niewykrytych mozaikowości międzytkankowych z udziałem linii 45,X. Wymagają one wówczas starannego różnicowania z mieszanymi dysgenezjami gonad (alternatywna nazwa: asymetryczne dysgenezje gonad) ze względu na różnice prognostyczne oraz w odniesieniu do decyzji terapeutycznych. W nielicznych przypadkach XY-hermafrodytyzmu opisywano mutacje genu SRY. Trudno jest odpowiedzieć dlaczego wówczas nie rozwija się obustronna dysgenezja gonad. Może to zależeć od osobniczych różnic w ekspresji poszczególnych typów mutacji w tkankach docelowych lub współudziału innych genów uczestniczących w gonadogenezie.
3.3. Znaczenie aberracji chromosomów płciowych dla funkcjonowania układu płciowego.
Większość aberracji liczbowych i strukturalnych chromosomów płciowych może powodować zaburzenia rozwoju i funkcji gonady, a w ślad za tym różnicowania się narządów i innych cech płciowych. Do wyjątków należy większość mężczyzn z kariotypem 47,XYY oraz część kobiet 47,XXX. Gonada pierwotna samoistnie różnicuje się w kierunku jajnika gdy w kariotypie nie ma chromosomu Y. Nie są do tego także niezbędne dwa chromosomy X. Dzieje się tak bowiem również u płodów z kariotypem 45,X. Oba prawidłowe co do struktury chromosomy X są jednak niezbędne do utrzymania prawidłowych cech morfologicznych jajnika. Aberracje strukturalne jednego z dwóch chromosomów X powodują zróżnicowane skutki kliniczne zależnie od punktów uszkodzeń (złamań) charakteryzujących analizowane aberracje. Szereg z nich wiąże się z dysgenezją gonad. Należy jednak podkreślić, aberracje strukturalne chromosomów X często współistnieją w kariotypach mozaikowych z linią 45,X. Są to niekiedy mozaikowości „ukryte” (ang: hidden mosaicism), o charakterze międzytkankowym. Cechy kliniczne, w tym także dysgenezja gonad, mogą zależeć wówczas w pierwszym rzędzie od aneuploidii, a nie od typu stwierdzonej aberracji struktury chromosomu X. Istotne są też procentowe proporcje identyfikowanych linii komórkowych. W przypadkach kariotypów mozaikowych z udziałem linii 45,X i chromosomu Y (X/XY) przypadki SRY(-) cechuje fenotyp żeński. W przypadkach SRY(+) obserwuje się obustronne dysgenezje gonad, dysgenezje mieszane i inne typy nieprawidłowego rozwoju gonady, przy zróżnicowanych osobniczo fenotypach - od żeńskiego, poprzez cechy obojnactwa rzekomego męskiego, po męski. Podobnie jak w przypadkach XY sex-reversal w przypadkach dysgenezji gonad z obecnym w kaiotypie chromosomem Y, istnieje ryzyko wyjścia z tych gonad zmian nowotworowych.
Przypadki czystej dysgenezji gonad u kobiet z kariotypem 46,XX (w tym także występujące rodzinnie) dowodzą z kolei, że niezależnie od genów zlokalizowanych w chromosomach X istnieje grupa genów autosomalnych mających znaczenie dla utrzymania prawidłowej struktury morfologicznej jajnika. Wśród nich wymienia się między innymi geny dla gonadotropin FSH i LH oraz ich receptorów [23].
4. Rozwój narządów płciowych.
Pod wpływem testosteronu (T) wydzielanego przez różnicujące się jądro (Ryc. 1) z ciał i przewodów Wolffa rozwijają się wewnętrzne narządy płciowe męskie. Rozwój zewnętrznych narządów płciowych męskich odbywa się przede wszystkim pod wpływem dihydrotestosteronu (DHT), pod warunkiem sprawnej konwersji T do DHT dzięki 5-alfa-reduktazie (SRD5A2) (Tab. III). Niezbędna jest także prawidłowa funkcja genu receptora dla obu androgenów (AR; patrz niżej).
Komórki Sertoliego różnicującego się jądra wydzielają czynnik lityczny dla kanałów Müllera (AMH - Anti Müllerian Hormone; OMIM 600957) (Ryc. 1). Wymaga on obecności swoistego receptora AMH-RII (AMH Receptor type II; OMIM 600956). Jądro aktywnie wpływa zatem zarówno na rozwój narządów płciowych męskich jak i zanik struktur kanałów Müllera.
4.1. Niedobór 5-α-reduktazy.
Do cech klinicznych deficytu należy małe prącie, podzielona moszna, wspólna zatoka moczopłciową, spodziectwo kroczowe i ślepo zakończony zachyłek pochwowy. Orientacja seksualna jest zwykle męska (opisywano wyjątki). Defekt nie wyklucza płodności choć nasienie charakteryzuje się wysoką lepkością i skrajnie niekiedy małymi objętościami w wyniku zaburzonej czynności sekrecyjnej prostaty i pęcherzyków nasiennych. Stwierdzono, że spośród genów dla dwóch izoenzymów - SRD5A1 i SRD5A2 (Tab. III), za cechy kliniczne niedoboru 5-α-reduktazy odpowiadają defekty tego drugiego. Choroba dziedziczy się autosomalnie recesywnie. Stwierdzono przypadki jednorodzicielskiej (ojcowskiej) disomii. Na marginesie warto wspomnieć, że aktywność SRD5A1 i SRD5A2 może być wzmożona w zespole policystycznych jajników (PCOS), a obniżenie aktywności SRD5A2 analizuje się pod kątem znaczenia tego zjawiska w etiopatogenezie raka prostaty. Niedobór 5-α-reduktazy wymaga różnicowania z niedoborem oksydoreduktazy 17-β-hydroksysteroidowej (HSD17B3) (Tab. III) [24]. Obraz kliniczny jest podobny. Do zasadniczych różnic należy rozwój ginekomastii oraz niepłodność w przypadkach deficytu HSD17B3.
4.2. Zespół niewrażliwości na androgeny.
Nieprawidłowe funkcjonowanie receptora androgenowego (AR) są przyczyną zespołu niewrażliwości na androgeny (OMIM 300068). Pojęcie zespołu feminizujących jąder jest nieadekwatne do etiopatogenezy zespołu i ma charakter pejoratywny. W starszej nomenklaturze używane jest niekiedy miano zespołu Morrisa. Spośród kilkuset mutacji i innych defektów strukturalnych genu AR wiele leży u podłoża różniących się klinicznie postaci zespołu zarówno z fenotypem męskim bez wad lub drobnymi wadami męskich zewnętrznych narządów płciowych, poprzez cechy obojnactwa rzekomego po fenotyp w pełni żeński (Tab. II) [25]. W postaci kompletnej (CAIS - Complete Androgen Insensitivity Syndrome) u fenotypowych kobiet z kariotypem 46,XY różnicuje się jądro. Defekt lub brak receptora androgenowego nie pozwala jednak na rozwój narządów płciowych męskich. Jednocześnie wydzielanie AMH przez komórki Sertoliego przyczynia się do lizy kanałów Müllera i tym samym do braku jajowodów, macicy oraz górnego odcinka pochwy. Kobiety te cechuje brak owłosienia łonowego i pachowego, dobrze rozwinięte gruczoły piersiowe oraz ślepo zakończony zachyłek pochwowy, wymagający w części przypadków jego pogłębienia. Mogą występować także różnie lokalizowane przepukliny, zawierające u niektórych pacjentek zstępujące jądra. Diagnostyka molekularna genu AR powinna być wykonana w każdym przypadku zespołu niewrażliwości na androgeny celem odróżnienia przypadków sporadycznych od występujących rodzinnie. Umożliwia to identyfikację lub wykluczenie nosicielstwa mutacji genu i udzielenie porady genetycznej zainteresowanym nią członkom rodziny.
4. 3. Zespół przetrwałych struktur po kanałach Müllera.
Defekt genu AMH lub genu receptora tego hormonu może spowodować u mężczyzn przetrwanie struktur po kanałach Müllera (PMDS - Persistent Müllerian Duct Syndrome; OMIM 261550). Wykazano, że dla odpowiedniej ekspresji AMH istotne znaczenie ma synergistyczne współdziałanie SF1 oraz izoformy WT1 (-KTS) genu WT1. Antagonistycznie w stosunku do nich zachowuje się DAX1. Przypuszcza się, że DAX1 i WT1 znajdują się w opozycji w stosunku do siebie w modulacji procesów transaktywacji zależnych w różnicującym się jądrze od SF1 [26]. W ekspresji AMH odgrywa także znaczącą rolę SOX9. Białko SOX9 przypuszczalnie konkuruje z DAX1 w miejscach wiązania z SF1 i w ten sposób “toruje” drogę działania WT1 (-KTS) [3][27].
Rozpoznano około 30 mutacji genu AMH oraz ponad 20 mutacji genu jego receptora [28]. PMDS jest dziedziczony autosomalnie recesywnie. Rozpoznaje się go u chłopców lub mężczyzn, najczęściej z obu- lub jednostronnym wnętrostwem, w sporadycznych przypadkach z jądrami położonymi ektopowo, a niekiedy także przepuklinami zawierającymi pochodne kanałów Müllera (jajowód, szczątkową macicę). Jądra wykazują dużą mobilność, gdyż w wielu przypadkach nie są przytwierdzone do wzgórka pochwowego za pomocą jądrowodu, a także nie zawsze są połączone z najądrzem i nasieniowodem. Mimo to są trudne do sprowadzenia do moszny. Ulegać mogą skrętom, co wtórnie prowadzi do atrofii częstej w przypadkach PMDS. Ocenia się, że płodnych pozostaje nie więcej niż 11% mężczyzn z PMDS. Jeśli struktury po kanałach Müllera nie stanowią zawartości worka przepuklinowego to wykrywa się je najczęściej przypadkowo, w czasie zabiegów operacyjnych z innych wskazań. Część chorych w ogóle nie jest identyfikowana.
4. 4. Wybrane wady dróg rodnych u kobiety.
Różnicujący się jajnik nie wpływa bezpośrednio na kanały Müllera, które samoistnie dają początek wewnętrznym narządom płciowym żeńskim. Na łączenie się parzystych struktur kanałów Müllera w nieparzyste formy anatomiczne jakimi są macica i górny odcinek pochwy może mieć gen HOXA13 (OMIM 142959). Jego mutacje opisywane zarówno rodzinnie jak i sporadycznie stwierdzono w zespole wad rozwojowych dłoni, stóp i układu moczowo-płciowego (HFGS - hand-foot-genital syndrome; OMIM 140000) [29]. Kontroli genetycznej podlega zapewne także zjawisko udrażniania dróg rodnych poprzez połączenie górnego odcinka pochwy z wyodrębniającym się z zatoki moczowo-płciowej jej odcinkiem dolnym (Ryc. 1). Znaczenie dla tego procesu może mieć gen MKKS (OMIM 604896) odpowiedzialny za wystąpienie cech zespołu McKusicka-Kaufmana (OMIM 236700), którego opisywanym elementem jest przegroda poprzeczna pochwy [30].
4. 5. Wady narządów płciowych związane z zaburzeniami procesu steroidogenezy.
Odrębną grupę stanowią nieprawidłowości rozwojowe narządów płciowych będące skutkiem defektów genów zaangażowanych w steroidogenezę. W kontaktach z rodzinami pacjentów niekorzystne jest używanie pojęcia obojnaczych narządów płciowych lub obojnactwa rzekomego. Ma ono charakter pejoratywny. Ważnym elementem jest szczegółowy wywiad rodzinny umożliwiający analizę drzewa genealogicznego pod kątem wad narządów płciowych lub innych cech fenotypowych współistniejących z nieprawidłowościowami rozwojowymi w zakresie układu płciowego. Jeśli nie jest możliwe szybkie ustalenie prawidłowego rozpoznania, korzystniejsze jest posługiwanie się w rozpoznaniu wstępnym sformułowaniami adekwatnymi do typu stwierdzanych wad rozwojowych. W każdym przypadku jednym z pierwszych kroków diagnostycznych powinno być szybkie ustalenie kariotypu dziecka lub przynajmniej składu chromosomów płciowych [testy chromatyny X i Y, fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH) do jąder komórek w okresie interfazy z sondami centromerowymi dla chromosomów X i Y, wykorzystanie markerów molekularnych]. Pozwala to w pierwszej kolejności na wyselekcjonowanie opisanych wyżej przypadków sex-reversal oraz aberracji liczbowych i strukturalnych chromosomów płciowych, które zwłaszcza w kariotypach mozaikowych mogą wiązać się z szerokim spektrum nieprawidłowości anatomicznych narządów płciowych, a także innych wad narządowych lub układowych.
Maskulinizacja zewnętrznych narządów płciowych u chorych z kariotypem 46,XX nasuwa przede wszystkim podejrzenie wrodzonego przerostu kory nadnerczy (WPKN). Dokładne omówienie tego zagadnienia wykraczałoby poza ramy niniejszego rozdziału. W Tabeli III zestawiono naistotniejsze przykłady nieprawidłowości rozwojowych zależnych od defektów wybranych genów zaangażowanych w steroidogenezę z uwzględnieniem różnic zależnych od płci chomosomowej XY lub XX. Należy podkreślić, że większość defektów enzymatycznych rzutujących na przebieg steroidogenezy dziedziczy się autosomalnie recesywnie, a współczesna diagnostyka biochemiczna i molekularna umożliwia wykonanie niejednokrotnie badań rodzinnych, udzielenie porady genetycznej, wykorzystanie wyników badań w diagnostyce przedurodzeniowej oraz w wyselekcjonowanych przypadkach zastosowanie u matki terapii hormonalnej celem uniknięcia u płodu szeregu powikłań choroby. Opracowane są w tym zakresie odpowiednie algorytmy postępowania diagnostycznego i terapeutycznego.
5. Hipogonadyzm hipogonadotropowy (HH).
Geny najczęściej zaangażowane w etiopatogenezę HH zestawiono w Tabeli IV. HH rozpoznawany jest u chorych reprezentujących szerokie spectrum objawów somatycznych i hormonalnych, zróżnicowanych także z punktu widzenia genetycznego. Podział kliniczny nie jest jednoznaczny i trwają dyskusje dotyczące jego kryteriów. Nazewnictwo obejmuje przykłady HH idiopatycznego (IHH - idiopathic hypogonadotropic hypogonadism), wrodzonego (CHH - congenital HH), nabytego (AHH - acquired HH). Hipogonadyzm może też być jednym z objawów złożonych zespołów chorobowych, zależnych między innymi od aberracji chromosomowych (zespoły Downa, Pradera-Williego, Angelmana itp). Prawidłowe rozpoznanie przyczyn HH umożliwia w części przypadków skuteczną terapię hormonalną z zachowaniem płodności.
6. Podsumowanie.
Zróżnicowane przyczynowo zaburzenia determinacji gonady i wady rozwojowe narządów płciowych znajdują się w kręgu zainteresowań pediatrów, internistów, endokrynologów, ginekologów, chirurgów, urologów, genetyków klinicznych, a także lekarzy innych specjalności. Konieczne jest zatem wspólne zrozumienie uwarunkowań genetycznych tych zaburzeń, uwzględnienie jednolitej nomenklatury klinicznej, a w postępowaniu różnicującym przyjęcie określonych zasad diagnostycznych [31]. W badaniach musi być uwaględniona ocena cytogenetyczna, diagnostyka hormonalna z możliwością różnicowania błędów w zakresie steroidogenezy, staranna diagnostyka obrazowa narządów rodnych, możliwość wykonania badań molekularnych, nie tylko z punktu widzenia postawienia rozpoznania klinicznego, do czego może nie być niezbędna lecz także pod kątem poradnictwa genetycznego i diagnostyki przedurodzeniowej.
W rozdziale nie omawiano szeregu problemów związanych z niepowodzeniami rozrodu i niepłodnością (nosicielstwo zrównoważonych aberracji chromosomowych, mutacje genu CFTR u mężczyzn, PCOS itp). Każdy z tych problemów poruszany jest szeroko w literaturze fachowej i wykracza poza ramy niniejszego opracowania.