干货！性发育异常的基因诊断现状和研究进展！

性发育异常(DSD)是先天性改变引起的发育异常或变异，表现为性染色体、性腺或性激素性别不典型、不一致。DSD是一类临床表现类似的遗传性疾病，临床误诊率极高。通过基因检测能够明确病因，避免因血清化验、影像检查的局限性导致疾病误诊。本文对性发育的胚胎学和遗传学机制进行了描述，总结了近年来DSD不同疾病中的主要基因组发现，以期为DSD的临床诊断和遗传咨询提供更多参考。

性发育依赖于基因调控网络的特定遗传信号相互作用，促进发育中胎儿的双向潜能性腺分化为睾丸或卵巢，然后依赖于睾丸分泌的睾酮与抗苗勒管激素（AMH）的作用分化为内外生殖器。因此，对性发育的精确遗传控制确保了在成年期实现正常的性发育和生殖功能。性发育异常(或变异)(disorders or differences of sex development，DSD)是先天性改变引起的发育异常或变异，表现为性染色体、性腺或性激素性别不典型、不一致，发生率为新生儿的1/5 000~1/4 500。了解性发育的遗传学和胚胎学机制对诊断、治疗和管理DSD至关重要。

DSD是一类疾病谱广泛、临床表现类似的遗传性疾病，临床误诊率极高。通过基因检测能够明确病因，避免因血清化验、影像检查的局限性导致疾病误诊。但诊断只是前提，治疗才是关键，精准诊断不仅可指导治疗方向，而且可以避免无效治疗及有害治疗，同时有助于预防及判断疾病预后，为准确评估复发风险及遗传咨询提供基础。

近年来，对正常和异常性腺发育的研究已进入所谓的“组学”时代，即对整个转录组或全基因组数据集进行测序分析。随着过去10~15年基因组学的进步，我们对DSD遗传病因的了解取得了很大进展，基因组测序技术正在成为DSD的一线诊断工具。在本文中，我们描述了典型的性发育的胚胎学和遗传学机制，总结了DSD不同疾病中近年来的主要基因组发现，以期帮助临床上达到更准确的诊断。

一、性腺的分化与发育

性发育包括3个不同的顺序阶段：双潜能性腺的形成、性别决定和性别分化。

（一）双潜能性腺的形成

在人类中，双潜能性腺起源于妊娠5周的中间中胚层，中肾内侧体腔上皮增厚形成性腺嵴；同时，原始生殖细胞(PGCs)从卵黄囊开始迁移并不断分裂增殖，最终到达性腺嵴。目前已发现了许多在卵巢和睾丸分化之前对双能性腺原基发育至关重要的基因。空气门同源盒2基因（Emx2）最初是在动物模型中发现的，缺乏Emx2的小鼠表现为体腔上皮细胞增殖缺陷引起的性腺发育不良。在早期泌尿生殖系统发育过程中，Emx2与前B细胞白血病同源盒基因（Pbx1）和色素框同源蛋白2基因（cbx2）在小鼠体腔上皮细胞的体细胞中共表达(人类中也存在同样的表达模式)。PBX1参与多聚转录复合物来控制基因的表达，小鼠实验表明，PBX1与EMX2相互作用，形成一个异源二聚体，结合特定的DNA序列来激活转录。在患有性腺发育不良的患者中，一种功能缺失型PBX1变异导致其与EMX2的结合减少，并导致与CBX2的结合消失。CBX2的选择性剪接产生两种亚型，CBX2.1和CBX2.2。在DSD患者中发现的变异表明，CBX2.1亚型参与了睾丸的分化，有1例46,XY DSD被报道携带CBX2.1的致病性变异，患者表型为女性，完全缺乏睾丸分化；CBX2.2为一种较短的亚型，已被提出在双潜能性腺的形成中起作用。

LIM同源框9基因（Lhx9）、Wilms肿瘤1基因（Wt1）和核受体亚家族5中A组成员1基因（Nr5a1）对双潜能性腺的发育也至关重要。Lhx9编码Lim同源盒蛋白，该蛋白参与小鼠体腔上皮细胞的增殖，Lhx9与Wt1一起，调节Nr5a1（也称为Sf1）的表达。NR5A1可调节类固醇生成和性腺发育基因的表达；在46,XY个体中，其突变会导致肾上腺皮质机能不全、性腺的发育不全、男性化不足、精子生成障碍等；在46,XX个体中，其突变会导致肾上腺皮质功能不全、早发性卵巢功能不全(POI)等。GATA结合蛋白4（GATA4）的表达被认为可以启动体腔上皮的增厚，随后诱导LHX9和NR5A1的表达，从而促进性腺嵴的生长和维持；缺乏GATA4的雄性小鼠表现为部分下降的小睾丸，伴有不规则的条索和不育。Wt1基因可以编码一种含有4个锌指蛋白的转录因子，该转录因子在发育中的生殖嵴、肾、性腺和间皮中表达；小鼠中Wt1的纯合子缺失会阻止性腺和肾的发育。

（二）性别决定

胚胎时期，性腺具有双向分化发育的潜能，可分别向卵巢或睾丸方向分化。性别决定是指双潜能性腺根据基因的表达形成睾丸或卵巢的过程。在XY胚胎中，Y连锁的性别决定基因(SRY)和SF1通过促进前支持细胞中SRY-盒转录因子9（SOX9）的表达来启动睾丸发育。SF1水平的增加激活了SRY的表达，触发了祖细胞亚群向支持细胞的分化，睾丸前体支持细胞表达SRY，使未分化性腺发育成睾丸。

与睾丸的发育不同，卵巢的分化发育不是由单个基因的表达引起的。XX胚胎中SRY的缺失与多个促卵巢基因的表达一致，包括翼状螺旋/叉头转录因子2（FOXL2）、Wnt家族成员4（WNT4）和R-spondin 1（RSPO1），它们在一个网络中协同作用，决定卵巢分化发育。卵巢发育最初由WNT4和RSPO1主导，它们上调并稳定β-连环蛋白（CTNNB1），与WNT4和RSPO1一起，FOXL2的表达在支持体细胞的双潜能性腺中启动。人类FOXL2的破坏会导致眼睑下垂、上睑下垂和内眦赘皮综合征(BPES)，I型BPES女性多表现POI，而Ⅱ型无卵巢受累。

（三）性别分化

性别分化是指发育中的性腺正常发挥功能产生肽类激素和甾体并发挥作用的过程。包括内外生殖器官的分化与发育。

睾丸形成后，成熟的睾丸支持细胞产生AMH，而AMH的存在可诱导睾丸间质细胞的发育。睾酮促使中肾管（Wolffian管）分化发育成为男性内生殖管道（附睾、输精管、精囊），并使外生殖器男性化，AMH则诱导米勒管结构退化。在外生殖器部位，睾酮通过5α-还原酶转化为作用更强的雄激素二氢睾酮（DHT）。5α-还原酶存在两种同工酶：同工酶1和同工酶2（分别由类固醇5α-还原酶SRD5A1和SRD5A2编码）。同工酶1在胚胎组织中表达水平较低，出生时在非生殖器皮肤和肝脏中表达，成年后在大脑、肝脏和非生殖器皮肤中产生；同工酶2在胚胎组织中表达，将睾酮转化为双氢睾酮（DHT），导致色素沉着和阴囊褶皱，从而形成阴囊。同工酶2产生的DHT也负责生殖结节增大形成阴茎龟头、尿道褶融合形成阴茎海绵体、唇囊肿形成阴囊以及泌尿生殖窦向前列腺的分化。

与男性生殖器相比，女性的外生殖器和内生殖器的发育不需要性激素的作用。同时，AMH的缺失使副中肾管（苗勒氏管）持续存在并增殖，形成输卵管、子宫和阴道的上三分之一。在没有DHT的情况下，生殖结节发育为阴蒂，尿道褶形成小阴唇，唇囊肿形成大阴唇。

二、DSD的发病机制

以北京协和医院发布的性分化与发育异常新分类法，DSD按病因分类，主要包括性染色体异常、性腺发育异常以及性激素与功能异常。一部分是染色体病，是人类染色体数目改变或结构畸变导致的遗传性疾病，可通过核型分析确定病因；另一部分是染色体微缺失/微重复疾病，即拷贝数变异，这实则也是一种基因组疾病，但无需用到基因检测；其余DSD大多数属于单基因病，基因检测有助于明确分子病因。

（一）性腺发育异常

性腺发育异常主要包括46,XX与46,XY性腺发育不全，以及真两性畸形。46,XY性腺发育不全的特征是在双潜能性腺期或性别决定期睾丸形成受阻，这种破坏导致睾丸功能受损。根据睾丸功能受损的程度，性腺发育不全分为完全性（单纯性，以前称为Swyer综合征)、不完全性（部分性）两种。完全性性腺发育不全患者在出生时表现为女性内外生殖器、条索状性腺(无功能、发育不全的性腺)；部分性性腺发育不良患者的外生殖器和内生殖器表现差异很大，表现为非典型外生殖器、性别模糊或不清、尿道下裂、隐睾以及大小可变的睾丸。

1. 46,XY性腺发育不全：46,XY性腺发育不全的遗传学病因在约50%的病例中可被确定，与至少20个基因的突变有关。在已知的与非综合征相关的基因中，SRY、NR5A1和MAP3K1的变异是XY性腺发育不良最常见的。DMRT1、DHX37、GATA4、ZFPM2、EMX2、LHX9、ZNRF3、CBX2、SOX8和PBX1变异相对少见。与综合征性性腺发育不良相关的基因包括WT1（Frasier综合征/Denys-Drash综合征）、SOX9（短指发育不良）、DHH（伴或不伴多发性神经病变）、PPP2R3C（myo-ectodermo-gonadal发育不全综合征）、ATRX（α-地中海贫血/精神发育迟滞综合征）、TSPYL1（伴有睾丸发育不全的婴儿猝死综合征）、MYRF(心脏-泌尿生殖系统综合征）和HHAT（Nivelon-Nivelon-Mabille综合征，以小头畸形为共同特征和可变的躯体异常）。

10%~15%的46,XY性腺发育不全患者携带SRY变异。SRY是Y染色体上的性别决定基因，促使未分化性腺向睾丸分化。大多数致病变异是聚集在DNA结合区-HMG结构域内的半合子错义变异，但也有研究报道了该基因上游和下游的罕见缺失以及最小启动子区域的变异。

NR5A1是一种孤儿核受体转录因子，高度表达于性腺、肾上腺、胎盘和中枢神经系统；在未分化性腺中表达，也参与睾丸形成分化及调控类固醇激素的表达。目前研究报道NR5A1基因在46,XY DSD患者中突变发生率约为10%~20%，已有超过180种NR5A1突变被发现，目前已报道的NR5A1致病变异大多数都是杂合子，这些突变与性发育异常有关。症状包括伴有或不伴有米勒氏残留结构的发育不良的性腺或睾丸、外生殖器模糊不清、轻度和重度尿道下裂，以及不同程度的男性发育不良如小阴茎、隐睾、无睾症及男性不育。据报道，曾在同一个家系中发现携带同一NR5A1基因变异的不同患者表现出46,XY性腺发育不良和46,XX卵巢发育不良，即使在同一个家系内，由于NR5A1变异不同程度的表达和不完全外显率，很难建立基因型-表型相关性，NR5A1变异导致不同表型的机制仍然不明。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)通路遵循保守的三级激酶模式，包括MAPK激酶激酶1（MAP3K1）、MAPK激酶（MAP2K）和MAPK，这3种激酶能依次激活，参与各种早期和晚期的发育进程，包括器官发生、形态固定、突触可塑性和生长。在人类中，MAP3K1的致病变异是46,XY DSD的确定原因，但MAP3K1变异是如何导致睾丸形成失败的机制尚不清楚。致病性变异通常是杂合的，可以是错义变异、剪接位点变异及缺失变异；无义或移码突变尚未见报道，可能因为更严重的蛋白质功能变异是胚胎致死性的。现有数据表明，与46,XY DSD相关的错义变异可能是微妙的功能获得变异，导致下游MAPK靶点磷酸化增加，携带MAP3K1变异的患者除了46,XY性腺发育不全外，没有其他明显的表型异常。

2. 46,XX性腺发育不全：46,XX和46,XY性腺发育不良是导致女性高促性腺激素性性腺功能减退的重要原因，通常核型为46,XX的性腺发育不全患者可表现为身材偏高、性幼稚症、双侧条索状性腺、女性外生殖器幼稚型和原发性闭经。

该病的发病机制可能涉及调控卵巢发育的重要基因功能突变。对X染色体畸变的细胞遗传学研究已经确定了一个正常卵巢功能的“关键区域”，它主要位于X染色体的长臂内。2023年，发表于Nature Medicine的一篇研究系统分析了1 030例POI女性携带的致病变异，绘制了POI致病变异“全景图”，将基因突变的病因贡献度由原来的15%提高至23.5%；一些X染色体上的位点和基因，例如FMR1、FSHPRH1、POF2A、DIAPH2、POF2B、POF1B、POF、FOXL2以及常染色体上MCM8、MCM9、NR5A1、TWNK、TP63、MSH4、MSH5、HFM1、STAG3、FA、BRCA1、BRCA2等基因均与卵巢早衰相关，为揭示卵巢生理性衰老机制及干预卵巢病理性衰老提供了方向和靶点，也为了解46,XX性腺发育不全的发病机制提供了线索与靶点。

3. 真两性畸形：真两性畸形目前也称为卵睾型DSD(OTDSD)，染色体绝大多数为46,XX（60%~70%），也可为46,XY（20%~30%），或各种嵌合的染色体（10%~20%）。80%的46,XX OTDSD患者的病因是SRY基因易位到X染色体上；其余的病例被命名为SRY阴性46,XX OTDSD，对其睾丸组织发育的分子机制知之甚少。然而，全外显子组测序（WES）和全基因组测序（WGS）揭示了这部分OTDSD的遗传原因，扩大了我们对导致典型男性和女性发育的分子遗传途径的认识。

SRY阴性46,XX OTDSD的遗传原因既往分为两组：前卵巢基因的功能丧失变异和前睾丸基因的过度表达。已确定的前卵巢基因的功能丧失变异发生在RSPO1中，另外两个前卵巢基因NRF2、NR5A1也被提出。早先NR5A1被认为只是一个促睾丸基因，但2019年的一项研究表明，它也会在XX个体中触发早期卵巢基因的激活，如WNT4和FOXL2。NR5A1特定精氨酸残基p.Arg92的氨基酸变异位于高度保守的“A-box”区域中，这是适当的DNA结合所必需的，与46,XX睾丸型DSD(TDSD)和OTDSD相关。迄今为止，已有超过20例46,XX TDSD病例报告了p.Arg92残基的改变，从而确定了p.Arg92的致病性，是Arg92变异体导致NR5A1的DNA结合缺失。

前睾丸基因的过度表达包括基因SOX3、SOX9和SOX10的重复，或SOX9中睾丸特异性增强子区域的重复。在SRY阴性的46, XX个体中，这些变异触发睾丸分化发育。

根据过去几年的发现，提出了SRY阴性46,XX OTDSD的第3类遗传原因：导致新型异位功能的遗传变异。例如WT1区域的一个变异，该变异编码WT1的第4个锌指结构域，这种变异导致WT1的非典型功能，导致FOXL2的抑制；功能研究也表明，改变后的WT1与β-catenin的相互作用增加，抑制β-catenin活性，从而抑制促卵巢通路。这是SRY阴性46,XX OTDSD最常见的原因之一。

（二）性激素与功能异常

性激素与功能异常首先分为3大类：雄激素过多、雄激素缺乏及雄激素功能异常。雄激素过多主要包括先天性肾上腺皮质增生（CAH）（除17α-羟化酶缺乏症表现为雄激素缺乏）；雄激素缺乏主要包括17α-羟化酶缺乏症、5α-还原酶2型（5α-RD2）缺乏症；雄激素功能异常主要包括雄激素不敏感综合征（AIS）。

CAH是一组由于肾上腺类固醇激素合成途径中酶或辅助因子缺陷引起的遗传性疾病。这些酶或辅助因子的破坏导致皮质醇水平降低，进而引起促肾上腺皮质激素(ACTH)水平升高，导致肾上腺被过度刺激，引起肾上腺增生。所有形式的CAH都是常染色体隐性遗传。根据缺乏的酶或辅助因子不同，CAH分为7种不同的酶缺乏：21羟化酶（21-OH）、11β羟化酶（11β-OH）、17α羟化酶（17α-OH）、3β-羟基类固醇脱氢酶（3β-HSD）、类固醇生成急性调节蛋白、P450胆固醇侧链裂解酶和P450氧化还原酶缺乏，分别由相应的基因突变引起。90%~95%的CAH是由于21-OH的缺乏引起的，以高雄为特征，以失盐型最常见，由CYP21A2的致病性突变导致；其他酶缺乏类型被认为是罕见的。基因检测协助发现和诊断了多种罕见的CAH酶缺乏类型，对CAH罕见类型的发现与诊断提供了巨大的帮助。

5α-RD2缺乏症起源于性发育的第3阶段，即雄性性分化阶段。5α-RD2缺乏症是一种常染色体隐性遗传病，由SRD5A2的致病性变异引起，它导致5α-RD2功能减少或缺失，并导致睾酮无法转化为DHT；患者没有苗勒氏管结构，存在分化的Wolffian管，导致典型的内生殖器和非典型外生殖器，这取决于残留的酶功能；出生时，男性化程度不同，范围从小阴茎、尿道下裂和/或隐睾到典型女性外生殖器的表型。目前已报道了超过100种不同的SRD5A2变异（来自人类基因突变数据库）；在5α-RD2缺乏症患者中，70%有纯合子变异、30%有复合杂合子变异，多数变异为单点错义突变；然而，也有小的缺失、插入和剪接变异。SRD5A2变异分布在基因的5个外显子中，最常见于外显子4和1，尽管没有明确的基因型-表型关联，但外显子4和indel变异的个体比其他变异的个体表现出更严重的表型异常。在临床和生物化学上，部分型AIS与5α-RD2缺乏症在某些情况下无法区分，因此，分子检测对于诊断和确定疾病的遗传原因非常重要。

雄激素的功能障碍主要是指雄激素的受体异常。AIS是一种X连锁遗传疾病，由位于X染色体长臂（Xq11-q12）上的AR基因突变引起。完全性雄激素不敏感综合征（CAIS）患者中雄激素受体功能完全缺失，可表现为XY核型、女性表型、阴道盲端（无上段阴道、宫颈与子宫），睾丸可位于盆腔、腹股沟区或大阴唇内，乳房发育良好但乳头发育差，阴毛和腋毛缺乏或缺失。部分型雄激素不敏感综合征（PAIS）保存有雄激素受体的部分作用，临床表现差异大，形成具有高度异质性的临床谱系，包括女性表型伴阴蒂肥大、非典型外生殖器和不同程度的男性化（如尿道下裂、小阴茎和单侧或双侧隐睾）。

数据库中已登记了超过1 100种不同的AR致病变异，包括缺失、重复、插入、错义（最常见的）和无义变异。插入、缺失以及产生截断蛋白或无蛋白的无义AR变异与CAIS相关，导致表型-基因型相关；引起单个氨基酸变化的错义突变通常发生在PAIS中，但有少数例外会导致CAIS。

三、DSD基因诊断的局限性

随着WES和WGS等新一代测序方法的实施，使得检测DSD中受影响的新基因和调控区域成为可能，DSD的临床和分子诊断得到了推进，病因不明的DSD患者的诊断率大大提高。然而，大型基因组数据集的产生也带来了有关数据解释的问题。首先要考虑的是对已被确定可导致DSD的基因变异的解释，除了可使用SIFT、PolyPhen-2和PROVEAN等计算机软件对变异位点进行致病性评分、预测变异是否影响蛋白质功能，还可基于ClinVar、OMIM、HGMD和gnomAD等遗传性疾病数据库、变异数据库及⼈群大规模测序数据库对变异进⾏筛选，确定变异是否可能具有致病性；借助公共群体遗传数据集等位基因频率排除基因或特定变异导致DSD的可能性，借助ClinVar报告的人类变异与表型之间的关系及支持证据，可以提高对这些变异的致病性解释的准确性，建立基因型-表型关系。

虽然高通量测序（NGS）技术可检测到每个患者的几个拷贝数变异(CNV)或单核苷酸多态性(SNP)，但确定这种变异的临床相关性仍有限，需要更好地了解DSD中确切的基因型/表型相关性。对于某些引起DSD的意义未明的致病基因及位点，可通过生物学相关的功能检测以及动物模型的功能研究来确定变异致病性，建立因果关系，若有家族聚集现象也可证明其致病性。功能研究及家族病史可以帮助理解被归类为临床意义未明（VUS）的许多突变的致病性。

在已知的致病基因中筛选出大量的候选变异，其中致病变异和疑似致病变异可解释约一半DSD患者的遗传病因，部分VUS变异后续还需要进行功能实验研究，以此来验证变异位点的致病性。其余遗传病因不明的病例可能与基因检测本来存在的误差、表观遗传学、不明用药史或未知的DSD致病基因有关。已有研究表明表观改变可以导致疾病如Prader Willi综合征、Beckwith-Wiedemann综合征、IMA综合征等；部分DSD基因的启动子区域有表观改变也会影响该基因功能，例如SRY上游的甲基化。单细胞测序技术使得人们可以对组织内单个细胞的基因组学、转录组学以及表观基因组学进行精准的研究，从不同侧面反映细胞的异质性以及功能差异。对于性腺水平的DSD和未知分子病因的个体，单细胞测序可能有助于识别相关的异常细胞类型及其转录特征。在将来的研究中，我们可以进一步运用单细胞测序来探索其他发病机制，并提高我们对基因突变如何导致DSD的理解。

四、展望

性发育是一个复杂的过程，许多DSD患者没有得到明确的诊断。在过去的10~15年里，WES和WGS的广泛应用已经使我们对包括DSD在内的先天性罕见疾病的遗传学病因的认识取得了重大进展，但目前已知的DSD致病机制仅能解释不到50%的遗传病因。随着单细胞测序等检测技术的发展，性发育过程中新的调控机制和参与基因将会逐步被发现。未来有望进一步拓展DSD致病基因和突变谱数据，进一步探明DSD的调控机制，为更多的DSD患者提供遗传学早期诊断，有助于临床医生选择更合理的长期治疗方案，并提供准确的遗传咨询信息，对患者的诊断、治疗、预后都具有重要的意义。

文章来源：丁蕾蕾，田秦杰.性发育异常的基因诊断现状和研究进展[J].生殖医学杂志，2024,33(8):1125-1131.