擁有XX染色體，卻發育出男性性器官：一個基因突變改變人類性別
圖片來源：冷泉港實驗室
我們都知道，性染色體為XX和XY的胚胎會分別發育成女性和男性，擁有各自的性腺。但科學家發現，對於一些「性別發育異常」的患者，常染色體上的一個基因突變，卻可能導致個體性腺發育異常——性染色體為XX的嬰兒，也能長出睾丸組織……
撰文?| 石雲雷
長出睾丸組織的女嬰
Alice（化名）是一個出生在巴西的小女孩，在她1歲時，醫生髮現她的生殖系統出現了異常：Alice的子宮只有半個，體內存在睾丸組織，包括睾丸支持細胞和曲細精管。在她10歲時，Alice體內的雌激素水平遠低於雄性激素，而且似乎將一直維持在較低的水平。但她的父母並非近親結婚，對她的外周血淋巴細胞的分析也顯示，她體內的染色體數目是正常的，而性染色體為XX。
Alice所患的疾病屬於「性別發育異常」（Differences in sexual development，簡稱DSD）。平均每2500~4000人中，會出現一位DSD患者。研究人員最開始一度認為Alice和大部分患者一樣，患病的原因是本應該存於在Y染色體上的SRY基因，因為染色體交叉互換轉移到了X染色體上。而SRY基因對於開啟男性生殖系統的發育具有關鍵作用，這一基因的轉移也是導致女性患DSD的主要原因。
但檢測結果卻顯示，Alice的基因組上並不存在SRY基因易位。因此，研究人員搜索了Alice基因組中其他和這一疾病相關的突變，最終找到了一個可疑的基因。2018年，聖保羅大學的研究人員將這一研究結果發表於《臨床遺傳學》（Clinical Genetics），證實Alice的患病原因罕見地與一個存在於常染色體上的癌症相關基因——WT1基因的突變有關。
WT1蛋白序列。圖片來源：研究論文
強大的腫瘤基因
WT1基因也被稱為腎母細胞瘤1基因（Wilms" tumor 1），由德國外科醫生Max Wilms於1990年首次在腎腫瘤細胞中發現。這類腎臟腫瘤主要發病群體為3~4歲的兒童，當他們的腎幹細胞存在WT1基因突變時，會導致腎功能異常和腫瘤形成。隨後，越來越多的研究發現，WT1基因上一些突變和多種實體瘤的形成有關。
有科學家發現，一些患腎母細胞瘤的男性的性腺發育也會受到影響。原來，在早期男性胚胎的發育過程中，WT1基因表達的WT1蛋白能促進SYR基因的表達。當WT1基因因為突變失去活性或部分失活時，就會導致男性的生殖系統發育出現異常，患上DSD。但是，Alice是女性，她的情況又如何解釋呢？
要了解Alice出現性腺發育異常的原因，或許我們需要先了解男性和女性正常的性腺發育過程。實際上，當人類胚胎髮育到孕期的第6周之前，它們均具有發育成任一性別的潛力。對於男性胚胎，他們體內的SRY基因會上調SOXE基因的表達，特別是SOX9基因（表達SOX9蛋白），進而激發一系列促使睾丸發育的生理過程，同時抑制女性性腺的發育。
而女性胚胎由於缺乏SRY基因，體內會激活一些能夠促進卵巢發育的信號通路，例如由WNT4蛋白和RSPO1蛋白維持下游的β-環形蛋白的穩定，後者能刺激卵巢的發育；此外，FOXL2蛋白能通過激活另一條信號通路，促進卵巢的發育和形成。
由於人類性別分化和發育的過程極其精細，上述代謝通路出現任何一種差錯，都有可能導致性腺發育混亂。但導致Alice和其他女性出現DSD的具體原因是什麼呢？最近，一項發表於《美國科學院院刊》的研究給出了可能的解釋：WT1基因上的一類突變及其影響的信號通路，或許導致女性發育出異常性腺。
性腺發育出錯
研究人員分別通過基因、細胞層面以及小鼠實驗，充分解析了這一生理過程。他們首先確認了WT1基因上的突變位點。通過分析78位具有DSD癥狀的女性的基因組，他們發現其中7人的發病原因與WT1基因的突變有關。在這些患者表達的WT1蛋白的碳末端第4個鋅指結構（ZF4，一種特殊的蛋白質結構，用於與其他蛋白結合）上，共發現了5種形式的基因突變（Alice體內WT1基因的突變也發生在ZF4結構上），其中較為常見的是第495位的精氨酸（Arg）錯義突變為甘氨酸（Gly）。
WT1蛋白的ZF4結構上5種形式的基因突變（上圖）；Alice體內WT1基因的突變發生在ZF4結構上（下圖）。圖片來源：研究論文
正常情況下，卵巢中的基質細胞和顆粒細胞會大量表達WT1蛋白，但這一蛋白並不會與促進卵巢發育的β-連環蛋白結合。但當其ZF4鋅指結構異常時，突變的WT1蛋白能結合β-連環蛋白，並限制β-連環蛋白行使功能，降低對FOXL2蛋白的激活，導致其表達減少，進而導致卵巢發育異常。與此同時，它還會顯著增強SOX9蛋白的表達，促進男性性腺的發育。
為了進一步地驗證這一基因突變的後果，研究人員選擇性染色體為XX的小鼠，通過基因編輯手段改變了表達WT1蛋白的ZF4結構。隨後，他們發現這些雌性小鼠出現了雄性特徵，相比於正常雌性小鼠，它們表達FOXL2蛋白的細胞明顯減少，蛋白的表達量下降80%以上。考慮到β-連環蛋白、FOXL2蛋白（XX）以及SOX9蛋白（XY）在哺乳動物性腺發育中的關鍵作用，研究人員認為WT1蛋白上ZF4結構的突變及其帶來的後續影響，不僅是導致雌性小鼠，更是導致女性患DSD的主要原因。
由基因突變導致的WT1蛋白ZF4鋅指結構異常，降低FOXL2蛋白表達（促進卵巢發育），但會增強SOX9蛋白表達（促進睾丸發育）。
具有雙向功能的基因
Nitzan Gonen是這篇論文的主要作者之一，她說：「我們通常難以理解，人們為何會出現這些差異，原因在於，這些改變發生在胚胎髮育早期。當我們能診斷出她們的癥狀時，已經是她們出生後了。但通過基因編輯的小鼠，我們有機會證實是這一基因突變造成了這些改變，以及這些變化形成的具體生理機制。」
Robin Lovell-Badge是弗朗西斯·克里克研究所幹細胞生物學與發育遺傳學實驗室的主任。他也表示：「WT1基因似乎具有雙向功能。通過一種形式的基因突變，它會導致男性發育出女性性腺；但在另一種形式的突變中，它還會導致女性發育出男性性腺。在這2種生理過程中，一些微小的改變都會改變性腺的發育，無論染色體顯示的生理性別是男還是女。」
類似的單基因突變導致的疾病中，鐮刀型細胞貧血症就是一個很典型的例子。而WT1基因上的點突變，導致人類原本的性別發生逆轉。這也進一步說明，人類的發育過程是一個極其精細的基因調控過程。但由於性別分化出現在胚胎髮育早期，並不易進行早期治療。但考慮到WT1基因的突變具有遺傳性，或許我們能在更早期對其進行預防。
論文鏈接：
參考鏈接:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30294972/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/tfci-gco060120.php
