我们都知道，性染色体为 XX 和 XY 的胚胎会分别发育成女性和男性，拥有各自的性腺。但科学家发现，对于一些“性别发育异常”的患者，常染色体上的一个基因突变，却可能导致个体性腺发育异常——性染色体为 XX 的婴儿，也能长出睾丸组织……
图片来源：冷泉港实验室
撰文 石云雷
长出睾丸组织的女婴
Alice（化名）是一个出生在巴西的小女孩，在她 1 岁时，医生发现她的生殖系统出现了异常：Alice 的子宫只有半个，体内存在睾丸组织，包括睾丸支持细胞和曲细精管。在她 10 岁时，Alice 体内的雌激素水平远低于雄性激素，而且似乎将一直维持在较低的水平。但她的父母并非近亲结婚，对她的外周血淋巴细胞的分析也显示，她体内的染色体数目是正常的，而性染色体为 XX。
Alice 所患的疾病属于“性别发育异常”（Differences in sexual development，简称 DSD）。平均每 2500~4000 人中，会出现一位 DSD 患者。研究人员最开始一度认为 Alice 和大部分患者一样，患病的原因是本应该存于在 Y 染色体上的SRY基因，因为染色体交叉互换转移到了 X 染色体上。而SRY基因对于开启男性生殖系统的发育具有关键作用，这一基因的转移也是导致女性患 DSD 的主要原因。
但检测结果却显示，Alice 的基因组上并不存在SRY基因易位。因此，研究人员搜索了 Alice 基因组中其他和这一疾病相关的突变，最终找到了一个可疑的基因。 年，圣保罗大学的研究人员将这一研究结果发表于《临床遗传学》（Clinical Genetics），证实 Alice 的患病原因罕见地与一个存在于常染色体上的癌症相关基因——WT1基因的突变有关。
WT1蛋白序列。图片来源：研究论文
强大的肿瘤基因
WT1基因也被称为肾母细胞瘤 1 基因（Wilms' tumor 1），由德国外科医生 Max Wilms 于 1990 年首次在肾肿瘤细胞中发现。这类肾脏肿瘤主要发病群体为 3~4 岁的儿童，当他们的肾干细胞存在WT1基因突变时，会导致肾功能异常和肿瘤形成。随后，越来越多的研究发现，WT1基因上一些突变和多种实体瘤的形成有关。
有科学家发现，一些患肾母细胞瘤的男性的性腺发育也会受到影响。原来，在早期男性胚胎的发育过程中，WT1基因表达的 WT1 蛋白能促进 SYR 基因的表达。当WT1基因因为突变失去活性或部分失活时，就会导致男性的生殖系统发育出现异常，患上 DSD。但是，Alice 是女性，她的情况又如何解释呢？
要了解 Alice 出现性腺发育异常的原因，或许我们需要先了解男性和女性正常的性腺发育过程。实际上，当人类胚胎发育到孕期的第 6 周之前，它们均具有发育成任一性别的潜力。对于男性胚胎，他们体内的SRY基因会上调SOXE基因的表达，特别是SOX9基因（表达 SOX9 蛋白），进而激发一系列促使睾丸发育的生理过程，同时抑制女性性腺的发育。
而女性胚胎由于缺乏 SRY 基因，体内会激活一些能够促进卵巢发育的信号通路，例如由 WNT4 蛋白和 RSPO1 蛋白维持下游的β-环形蛋白的稳定，后者能刺激卵巢的发育；此外，FOXL2 蛋白能通过激活另一条信号通路，促进卵巢的发育和形成。
由于人类性别分化和发育的过程极其精细，上述代谢通路出现任何一种差错，都有可能导致性腺发育混乱。但导致 Alice 和其他女性出现 DSD 的具体原因是什么呢？最近，一项发表于《美国科学院院刊》的研究给出了可能的解释：WT1基因上的一类突变及其影响的信号通路，或许导致女性发育出异常性腺。
性腺发育出错
研究人员分别通过基因、细胞层面以及小鼠实验，充分解析了这一生理过程。他们首先确认了WT1基因上的突变位点。通过分析 78 位具有 DSD 症状的女性的基因组，他们发现其中 7 人的发病原因与WT1基因的突变有关。在这些患者表达的 WT1 蛋白的碳末端第 4 个锌指结构（ZF4，一种特殊的蛋白质结构，用于与其他蛋白结合）上，共发现了 5 种形式的基因突变（Alice 体内WT1基因的突变也发生在 ZF4 结构上），其中较为常见的是第 495 位的精氨酸（Arg）错义突变为甘氨酸（Gly）。
WT1蛋白的ZF4结构上5种形式的基因突变（上图）；Alice体内WT1基因的突变发生在ZF4结构上（下图）。图片来源：研究论文
正常情况下，卵巢中的基质细胞和颗粒细胞会大量表达 WT1 蛋白，但这一蛋白并不会与促进卵巢发育的 β-连环蛋白结合。但当其 ZF4 锌指结构异常时，突变的 WT1 蛋白能结合 β-连环蛋白，并限制 β-连环蛋白行使功能，降低对 FOXL2 蛋白的激活，导致其表达减少，进而导致卵巢发育异常。与此同时，它还会显着增强 SOX9 蛋白的表达，促进男性性腺的发育。
为了进一步地验证这一基因突变的后果，研究人员选择性染色体为 XX 的小鼠，通过基因编辑手段改变了表达 WT1 蛋白的 ZF4 结构。随后，他们发现这些雌性小鼠出现了雄性特征，相比于正常雌性小鼠，它们表达 FOXL2 蛋白的细胞明显减少，蛋白的表达量下降 80% 以上。考虑到 β-连环蛋白、FOXL2 蛋白（XX）以及 SOX9 蛋白（XY）在哺乳动物性腺发育中的关键作用，研究人员认为 WT1 蛋白上 ZF4 结构的突变及其带来的后续影响，不仅是导致雌性小鼠，更是导致女性患 DSD 的主要原因。
由基因突变导致的WT1蛋白ZF4锌指结构异常，降低FOXL2蛋白表达（促进卵巢发育），但会增强SOX9蛋白表达（促进睾丸发育）。
具有双向功能的基因
Nitzan Gonen 是这篇论文的主要作者之一，她说：“我们通常难以理解，人们为何会出现这些差异，原因在于，这些改变发生在胚胎发育早期。当我们能诊断出她们的症状时，已经是她们出生后了。但通过基因编辑的小鼠，我们有机会证实是这一基因突变造成了这些改变，以及这些变化形成的具体生理机制。”
Robin Lovell-Badge 是弗朗西斯·克里克研究所干细胞生物学与发育遗传学实验室的主任。他也表示：“WT1基因似乎具有双向功能。通过一种形式的基因突变，它会导致男性发育出女性性腺；但在另一种形式的突变中，它还会导致女性发育出男性性腺。在这 2 种生理过程中，一些微小的改变都会改变性腺的发育，无论染色体显示的生理性别是男还是女。”
类似的单基因突变导致的疾病中，镰刀型细胞贫血症就是一个很典型的例子。而WT1基因上的点突变，导致人类原本的性别发生逆转。这也进一步说明，人类的发育过程是一个极其精细的基因调控过程。但由于性别分化出现在胚胎发育早期，并不易进行早期治疗。但考虑到WT1基因的突变具有遗传性，或许我们能在更早期对其进行预防。
论文信息：
Testis formation in XX individuals resulting from novel pathogenic variants in Wilms’ tumor 1 (WT1) gene.CarolineEozenou,NitzanGonen,Maria SolTouzon,AnneJorgensen, et al.Proceedings of the National Academy of SciencesJun ,21676;DOI:10.1073/pnas.1921676117参考链接:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30294972//pub_releases/-06/tfci-gco060120.php
本文转载自公众号“环球科学”（ID:huanqiukexue）
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