性別決定專題(下)

近年來,除了與性聯染色體直接相關的疾病(例如血友病)以外,我們也知道,許多疾病(例如糖尿病、中風、心血管疾病),性別的差異也體現在患病率以及藥物治療的效率上。然而,性別科學的研究如何在疾病上有所貢獻呢?有興趣的朋友,不要錯過本月份Investigator為大家延續性別研究的歷程,以及在醫藥界的外來展望。

五、睪丸發育起始因子SRY

雖然研究XY性別決定的科學家們已經幾乎可以確定TDF在Y染色體上的位置,卻遲遲無法找到那一個基因聖杯,不懈的努力到了1980年代後期總算有了成果。藉由極為詳盡的分析臨床性倒轉患者的 Y 源片段,把TDF的可能存在範圍進一步縮小到大約 35kb的一個區域,再利用雜交技術在不同哺乳動物的所有染色體中尋找,發現有一高度保守的基因片段僅存在於雄性個體中。1990年左右,進一步的再分析這個基因發現單單改變這個基因序列上的一對鹼基,就可讓原本應該發育成雄性的動物變成雌性1, 2,而當研究者將此基因植入帶雌性染色體的小鼠胚胎後,這個基因性別XX的胚胎就發育出睪丸的結構3。這個基因,被命名為Y染色體性別決定區(sex determining region Y; SRY)。

目前已知SRY基因的真獸亞綱哺乳動物中,其SRY均位於Y染色體短臂上。對目前已知的SRY做定序分析可以發現,所有的SRY蛋白都存在一個約80個氨基酸,序列與功能保守的區域稱為HMG-Box (High Mobility Group-Box)。HMG-Box的功能與DNA結合、蛋白質的胞內運輸等密切相關,同時也暗示著 SRY 蛋白本身就是個基因調控的轉錄因子。在小鼠的胚胎發育研究中,SRY基因開始大量表現在生殖脊(gonadal ridge)明顯分化之前。小鼠的生殖脊分化發生於受精後12至12.5天,而SRY在10.5到11.5天之間大量表現,這發現在時間上合理化了SRY的角色4。而在胚胎位置上,原位雜交實驗中發現SRY的大量表現在生殖脊與相關的雄性性腺前驅組織中。由於大量的臨床研究與動物實驗證明了極高比重的性別倒轉原因是來自於SRY 基因上的突變。再加上對於SRY之後調控的基因功能在雄性發育的過程中逐漸明朗,目前的公論已認定SRY為性別決定的起始基因。

雖然SRY主要控制胚胎順利起始發育成雄性,但進一步的研究確認在小鼠中,SRY僅僅在一天的表現後便歸於沉寂,暗示了有其他雄性相關的基因在SRY之後接棒引導了性別相關的分化,尤其是睪丸的發育,這代表SRY必須與其他重要的因子互相調控或是相互作用,才能令雄性發育的編程順利完成,值得注意的是,這個過程相較起其他身體部分的發育其容錯率都顯著的低,也就是說,任何一部分出現少量變異或錯誤,都會引致整套性別決定的程序發生問題而使生理性別表現型產生顯著影響,這部分會後續深入討論。與SRY的起始功能與後續調控密切相關的因子5,目前為研究者所熟知的主要有SF1(Steroidogenic Factor 1)、SOX9(Sry-related HMG-Box 9)、FGF9(Fibroblast Growth Factor 9)、PGD2(Prostaglandin D2)與AMH(Anti-Mullerian Hormone)。SF1會與SRY結合後激發SOX9的基因表現,SOX9會啟動生殖脊上的前驅細胞成為塞托利細胞(Sertoli cell)。SOX9的表現還會同時引發FGF9(製造睪丸素及增生更多Sertoli cell)及PGD2(確保SOX9維持高度表現量),這些基因會使這組由SRY啟動的迴路不斷增益,以確保雄性發育相關的基因調控網路(gene regulatory network)能維持穩定 (圖五)。一旦這個迴路製造出成熟的Sertoli cell,此細胞會分泌不同的物質,最重要的便是AMH,其作用為抑制胚胎期的女性生殖系統,包含卵巢與子宮等的發展。除此之外,還有其它物質作用於刺激製造精子或是激化睪固酮。因此,假如SOX9相關聯的基因產生變異,臨床上便會造成雌雄發育不完整甚至性別倒轉。這些研究發現更強調了做為激發SOX9表現的高度重要起始因子SRY的重要性。總結而言, SRY 基因角色的發現是人們認識人類與哺乳動物性別奧秘的一個重要里程碑。單一SRY基因並不足以完整解釋男性生殖機制,但已證實SRY基因是啟動男性發育機制的開關。雖然要完全弄清SRY此因子的生化功能與相關的功能分子機制,還有很長的一段路要走。所幸近年來分子生物學與蛋白質化學等學科進步快速,我們擁有了很多有效率的工具來好好探討這個重要因子,只是問題在於,要從哪裡開始?

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圖五、在小鼠性別發育過程中,以SRY為中心的基因調控網路與其重點基因表現時間表

人類懷胎十月,約在第四週時,腹壁兩側會形成生殖系統和泌尿系統前身的生殖脊,此生殖脊會形成前腎(之後退化)、中腎(發育為中腎細小管及中腎管),以及日後變化成腎臟的後腎。其中中腎內緣有Sertoli細胞的前身,在SRY表現激發SOX9後會往發育成睪丸前進。如果胎兒的SRY發生突變,那依照失去的功能種類與形式還有對後續基因調控的強度,會決定日後產生性別倒轉的情況與機率6,這些SRY的突變與其對應失去的功能造成的調控能力減弱或喪失,可做為大自然準備給研究者的天然探針讓我們能一窺這個重要因子的各項功能。在人類SRY的204個胺基酸中,和性發育疾病相關的突變幾乎都集中在約80個胺基酸的HMG Box上。在HMG Box中的突變造成的功能缺損主要可分為幾大類:弱化或是喪失DNA結合能力7、影響細胞質到細胞核之間的運輸效率8、破壞結構穩定性造成蛋白半生期過短9,以及較為少見的蛋白質合成不全6。其中,某些突變位置有可能會同時造成數種缺損與影響。藉由分析這些突變造成的分子生物學功能變化,配合以實驗細胞做為模型定量分析此類突變造成下游基因,尤其是SOX9的表現量降低,參照臨床上分析相對應的患者生殖組織發育情形,例如斯威爾症候群(Swyer syndrome,是為一種真性性腺發育不全症pure gonadal dysgenesis,其異常SRY基因會製作出無效蛋白。導致發育為46,XY女性)、卵睪症(ovotestis,同時具有睪丸及卵巢組織,突變造成低效的SRY蛋白或是帶有SRY基因的46,XX患者都是可能的原因)、部分性腺發育不全(partial gonadal dysgenesis,SRY基因功能不全造成)、或是性腺細胞腫瘤(gonadoblastoma),來描繪SRY的功能表,進而推論這個蛋白的生活史。因此,探討SRY造成的相關多樣臨床症狀來理解這個性別起始因子的運作機制,不僅僅可以提供未來對於帶有類似突變患者早期甚至還是胎兒時的可能治療參考,同時也能對於SRY相關的整個SOX家族——此類蛋白幾乎全部都與體內各部分的分化與發育息息相關,包含iPSc細胞的重要因子SOX2——的理解,有決定性的貢獻。

六、性別決定的未來與醫藥價值

性別決定的機制是個奧妙的過程,由兼具兩性”配備”的初始生殖系統的胚胎,一直到發展成為單一性別的胎兒,這其中如果有些許差池,往往會發生性發展障礙 (disorders of sex development; DSD),為個人與家庭帶來衝擊。分析”家族遺傳性”的斯威爾症候群患者,其SRY蛋白的調控活性可以知道,僅僅降低50%的SOX9基因表現(由SRY所激發),就有可能產生性別倒轉的子代,即便帶有這個突變SRY的父親在表現型上完全正常8, 10。而在自然界中,更有數種鼠科與倉鼠科的成員,Y染色體與SRY不再是決定性別的核心 (圖六),也就是說,即使基因調控的性別決定一般被認為會比環境控制的決定系統更穩健有更高預期性,但其實”性別決定因子必能強硬的分野出雄性與雌性”的認知,至少在哺乳動物的世界中是需要修正的。但將生殖繁衍的重要器官發育放在可賴度這麼低的不穩定系統中,究竟在演化上有甚麼好處?

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圖六、鼠總科中已有數種成員發展出不同於SRY-Y染色體的性別決定系統,圖中方框標註的部分物種其Y染色體已經消失,棕色標記的部分物種還保留Y染色體但已失去決定因子的角色,灰色標註的物種則是SRY相關基因有所轉移,其機制仍然不詳

X染色體和Y染色體之間,如同體染色體對偶基因般的重組與修補已被證實是會被抑制的,因為許多Y染色體(或是說,雄性發育特有的基因)其實對生命體可能會有害。這種抑制會造成雄性動物逐漸丟失Y染色體所含有的各基因,結果是Y染色體的遺傳完整性難以維持,容易發生損毀而可能最終會走向退化11。演化歷史上,以假定的”始祖Y染色體”為起始估算,人類的Y染色體可能已經丟失了原本擁有約1400多個基因中的1393個,而且,如果這個速率在未來繼續保持線性關係(約莫4.6個基因/百萬年),Y染色體有可能在一千萬年後完全喪失所有能表達的基因座12。然而,Y染色體的退化不代表使用物種性別不再有差異。即使SRY之類的性別決定因子退化而消失,只要新的性別決定基因轉移到另一條體染色體,那對體染色體仍然可能再走過Y染色體當年的路而成為新的性染色體,如此一個新性別決定系統就會誕生。這樣的可能演化未來已經在哺乳動物演化的先鋒,幾種鼠科及倉鼠科的動物中成為進行式註一,比如坦氏鼴鼠(Ellobius tancrei)的Y染色體已失去決定者的角色,而由第二號染色體的CBX2基因代替SRY基因,發揮了雄性發育的作用11。或是南美原鼠屬中的玻利維亞草原脊鼠類(Akodon)通過X染色體和Y染色體複雜改變,造成高比例的雌性個體其實是XY基因型的13。這些多樣的性染色體演化,暗示了性別決定方式的演變是一個快速的動態過程,也因此即使相對於環境決定系統有更高穩健性的基因決定性別途徑,也不是僅僅作為非黑即白的發育表現,而是產生高度的多樣性可能,也就是說,也許SRY主導的雄性發育會如此”柔軟”,說不定是大自然正在實驗下一階段性別決定因子的演化,這演化或許就像艾莉絲裡的紅皇后一樣,必須跟隨著環境的步伐不斷的前進14

雖然性染色體與SRY基因的功能研究,揭示了性別決定的未來演化,但性別研究在增進生命科學與醫學進步上,並不僅僅在指出一個千萬年後的可能而已。更切身相關的是能夠找出疾病面前的男女不平等,依照兩性的生理差異提供更好的健康方案,或是利用兩性發育上的拮抗來治療某些性別專一的健康問題。在疫病之神面前的兩性不平等,並不只是體現在性聯遺傳的疾病上(如血友病),或是因為賀爾蒙不同而造成顯著差異的健康問題中(如禿頭、乳腺癌、骨質疏鬆)。還會表現在性別差異的生理反應上,如相比男性的第一型糖尿病患者,女性患者的死亡風險高出約40%,致死或非致死性血糖事件發生比率更高15。或是降血脂藥物治療效果女性比男性好,但女性再發二次心臟病和中風的機率也比男性高,除此之外,文獻統計也顯示女性有自體免疫問題的比例是男性的 2~7 倍等等16。這些差異背後的成因,往往從一開始男性女性的發育分歧就定下了基礎,爾後的基因環境造成的賀爾蒙條件再加深這些不同。因為疾病與性別因素的聯繫,醫生應根據性別不同選擇不同的治療而非僅僅以某種性別為主要模型的方式,忽略了兩性生理狀況的巨大不同。

同樣的,也因為兩性發育上的分歧與拮抗 (圖七),深入了解性別發育的機制能有效率的幫我們解決一些男性女性專有的疾病,卵巢癌的治療就是近年來可能已有所突破的例子。卵巢癌之所以難以治療,主要原因是卵巢作為生殖器官本身就相當活躍,而活躍的細胞一旦癌化也會更加棘手。然而,哈佛大學醫學院由Donahoe 帶領的研究團隊應用男性女性胚胎發育時的天然拮抗過程來開發治療方法。男性胚胎發育的過程中,Sertoli 細胞會製造一種賀爾蒙叫做anti-Müllerian hormone(又名為MIS (Müllerian-inhibiting substance))來抑制卵巢與相關女性系統的發育,MIS (AMH)生來就是要壓制跟卵巢有關的器官生成還有相關的運作。Donahoe 的團隊讓卵巢癌組織表現外源的AMH ,使用卵巢癌幹細胞以及小鼠模型他們發現這能夠很有效的阻止卵巢癌細胞的生成與擴散,即使已經是很後期的癌症仍然有很高的效率。類似的概念也可以應用在攝護腺癌標靶藥物的開發上。因此深入的了解兩性發育的機制,就更能有效的應用這些自身的”壓制因子”做為治療材料的一員。

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圖七 、性別相關決定因子的表現與調控:自生殖脊起產生分歧,並且在兩性性別發育上扮演拮抗的角色

七、結語

人類對性別決定的觀察與理解,是個漫長的過程,千年來人類提出了無數猜測,例如認為動物雄性的兩個睪丸分別掌管著不同性別,左睪丸的精液會生出雌性子代,右邊的則會製造”雄”精子,造成18世紀的有些父親為了生兒子乾脆割掉自己左邊的睪丸。雖然以現在的眼光覺得荒誕不羈,但同時也顯示了人類對如何理解並控制性別有很大的渴望。生命科學開始突飛猛進的現代。研究者對性別決定的機制,以及未來的演化方向逐漸有更多的認識,這使得不僅僅是生殖性別方面,對於心理與社會性別也都在對性別決定的生化過程研究中有更多樣化的觀點。目前做為性別決定相關的醫學研究者,面臨的一大挑戰為如何將這方面的研究成果應用在實用醫療層面,除了期許能提供出更詳盡的兩性基因環境做為提高治療效率的基礎,更希望在未來下一世代的生命科學技術發展下,能夠結合基因調控網路的研究,包括腦的兩性異形,尋求融合iPSc等幹細胞研究讓性別發育障礙等健康問題不再是”能緩解不能根治”的狀態。除此之外,擴張對其他生物相關的探索來提供對性別決定機制起源的多樣性解釋。除了滿足人們對知識的喜悅與對生物界的認識外,也能夠改善畜牧農產的豐富性以提供更多的資源選擇。

註一:鼠科動物擁有較短的生育週期,繁衍速度快,且齧齒目是哺乳動物中數目最大的一目,所以可謂哺乳類中演化的先鋒。

參考文獻

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撰稿|陳彥善
編輯|陳曦、謝典戰、邱亮源
學術部負責人|林琬瑜

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