Genetisk könsbestämning: Ompröva koncept och teorier

The Challenge

Research into sex determination formerly focused primarily on testis development, while active processes controlling ovarian development were largely ignored (Veitia, 2010). In fact, ovarian development had long been considered a “default” or “passive” developmental outcome of the bipotential gonad.

Method: Rethinking Concepts and Theories

The notion of a “default” female pathway focused research on testis differentiation, and, after the discovery of Sry, on the downstream targets of Sry, e.g. Sox9. In contrast, the ovarian pathway was explored less. Scientific models portraying the female developmental pathway as a “default” were inconsistent with lack of ovarian development in Turner’s syndrome, among other issues.

Gendered Innovations:

  1. Recognition of Ovarian Determination as an Active Process. Current research is identifying the active mechanisms required to produce an ovary (Veitia, 2010; Uhlenhaut et al., 2009). These investigations have enhanced knowledge about testis development and how the ovarian and testicular pathways interact.
  2. Discovery of Ongoing Ovarian and Testis Maintenance. Research into the ovarian pathway revealed that the transcriptional regulator FOXL2 must be expressed in adult ovarian follicles to prevent “transdifferentiation of an adult ovary to a testis” (Uhlenhaut et al., 2009). Subsequently, researchers found that the transcription factor DMRT1 is needed to prevent reprogramming of testicular Sertoli cells into granulosa cells (Matson et al., 2011).
  3. New language to Describe Gonadal Differentiation. Researchers have dismissed the concept of “default” and emphasize that, while female and male developmental pathways are divergent, the construction of an ovary (like the construction of a testis or any other organ) is an active process. Each pathway requires complex cascades of gene products in proper dosages and at precise times.

Konceptet med kvinnlig utveckling som hormonell standard
Konceptet med kvinnlig utveckling som genetisk standard
Utmaningen: Idéen om en standard och dess inflytande på forskningen
Innovation med genusperspektiv 1: Erkänna utvecklingen av äggstockar som en aktiv process
Metod: Ompröva koncept och teorier
Innovation med genusperspektiv 2: Upptäckt av kontinuerligt underhåll av äggstockar och testiklar
Innovation med genusperspektiv 3: Nytt språk för att beskriva gonaddifferentiering
Metod: Ompröva forskningsprioriteringar och resultat
Konklusioner

Konceptet med kvinnlig utveckling som hormonell standard

Den embryonala gonaden är bipotentiell, det vill säga att den vanligen "ger upphov till en av två morfologiskt och funktionellt olika organ, en testikel eller en äggstock ” (Capel et al., 2006).

1947 visade Alfred Jost att när gonaderna hos han- och honkaninfoster tas bort innan könsskillnaden uppstår, utvecklar alla individer kvinnliga reproduktionsstrukturer och kvinnliga externa genitalier, oavsett karyotyp (Jost, 1947).

Forskare antog hypotesen att testiklarna triggade manlig utveckling genom testikulära hormoner. Studier av nötdjur visade att när foster av motsatt kön delar placentaanastomoser som tillåter utbyte av hormoner, maskuliniseras XX-foster medan XY-foster däremot inte feminiseras (Jost et al., 1972). Resultatet av dessa och andra studier var att frånvaron av testikulära hormoner förväntades resultera i kvinnlig utveckling.

Utveckling av honkön som genetisk standard

Upptäckten av Y-kromosomen som gjordes 1905 av både Nettie Stevens och Edmund Wilson ledde till beskrivningen av ett XX/XY-könsbestämningssystem där kvinnor betecknades XX och män XY (Stevens, 1905; Wilson, 1905). I början var det inte klart huruvida mänskligt kön avgjordes av antalet X-kromosomer eller av närvaron eller frånvaron av Y-kromosomen.

Efterföljande studier av Klinefelters och Turners syndrome under 1950-talet indikerade att närvaron av en Y-kromosom avgör könet hos människor (Jacobs et al., 1959; Ford, 1959). Om kön bestämdes av antalet X-kromosomer (47,XXY) kunde man förvänta sig att patienter med Klinefelters syndrom skulle vara kvinnor eftersom de hade det typiska X-antalet för kvinnor (två) och (45,X0) patienter med Turners syndrom förväntades vara män, eftersom de har det typiska antalet X-kromosomer för män (en). Patienter med Klinefelters syndrom har dock en manlig fenotyp och patienter med Turners syndrom har en kvinnlig fenotyp.

Dessa observationer ledde till att man började söka efter en könsbestämmande gen på Y-kromosomen. I en artikel i Nature 1990 identifierade Andrew Sinclair och hans kollegor en könsbestämmande SRY-gen (Sex-Determining Region Y), men menade samtidigt att det är sannolikt att det krävs många olika gener för både manlig och kvinnlig könsbestämning (Sinclair et al., 1990). Efterföljande forskning bekräftade att XX-möss utvecklar testiklar om de injiceras med SRY-bärande DNA-fragment under fosterstadiet (Koopman et al., 1991).

Studier på människor identifierade (46,XX) män som hade translokationer av SRY på en X-kromosom, vilket tydde på att SRY var tillräckligt för att trigga manlig utveckling (Berkovitz et al., 1992). Under de följande åren fokuserade forskningen till stor del på målen för SRY-genens mål nedströms.

Utmaningen: Idén om en standard och dess inflytande på forskningsprioriteringar

Under den här perioden fokuserade forskningen på frågor som rörde bestämningen av testiklar (Richardson, 2013). Det kvinnliga könets utveckling däremot ansågs vara standardspåret i avsaknad av SRY.

Det engelska ordet “default” betyder “underlåtenhet att agera; negligera" eller "ett antaget förvalt alternativ […] när inga alternativ specificeras” (Oxford English Dictionary, 2011). När det gäller könsbestämning blev "default" den rådande modellen för det kvinnliga könet, dvs. en äggstock blir resultatet utan annan påverkan, och utvecklingen av äggstockar studerades inte i tillräcklig grad.

Även om större delen av forskarkåren fortsatte fokusera på genetiken kring utvecklingen av testiklar som nyckeln till könsutvecklingen hos däggdjur, fanns det några utvecklingsbiologer som var kritiska mot uppfattningen om en standardmodell. Bland andra Eva Eicher och Linda Washburn ifrågasatte 1986 konceptet med "uppkomsten av äggstocksvävnad som en passiv (automatisk) händelse" och hävdade att "uppkomsten av äggstocksvävnad är en aktiv, genetiskt styrd utvecklingsprocess i lika hög grad som uppkomsten av testikelvävnad, eller för den delen, uppkomsten av vilken annan cellulär differentieringsprocess som helst". Biologerna noterade att "nästan inget har skrivits om gener som är involverade i den odifferentierade gonadens utveckling till ovarier” (Eicher et al., 1986; se även Fausto-Sterling, 1989).

Innovation med genusperspektiv 1: Erkänna utvecklingen av äggstockar som en aktiv process

I mitten av 1990-talet erkände utvecklingsbiologer att "även om faktorer involverade i manlig könsdifferentiering har studerats väl, är processerna som reglerar kvinnlig könsdifferentiering ofullständigt definierade” (se Biason-Lauber et al., 2008; Richardson, 2013).

Samtidigt indikerar data från både djurmodeller och människor att könsbestämningsprocessen handlar om mer än närvaron eller frånvaron av SRY. Några av observationerna:

  1. Frånvaron av SRY räcker inte för att skapa en fungerande äggstock; det krävs två X-kromosomer. 45,X0-kvinnor med Turners syndrom utvecklar dysfunktionella äggstockar, vilket tyder på att det krävs två X-kromosomer för normal utveckling (Bondy, 2010). Denna dysfunktion hos äggstockarna beror på avsaknaden av könsceller under utvecklingen. Det krävs livsdugliga könsceller för att skapa en fungerande äggstock (Persani et al., 2009). Utvecklingen av testiklar skiljer sig på så vis att en "fungerande" (hormonavsöndrande) testikel kan utvecklas i avsaknad av könsceller, som i fallet med XX-män (Kim et al., 2010).
  2. Doseringskänsliga gener kan åsidosätta den manliga utvecklingen även vid förekomst av SRY. 1994 identifierade forskare (46,XY) kvinnor med intakt SRY, och fastställde att duplicering av en specifik X-kromosomplats "är tillräcklig för att störa den normala testikelutvecklingen i närvaro av SRY” (Bardoni et al., 1994). Senare studier identifierade genen som DAX1, och studier av (46,XY) kvinnor visade att “DAX1-duplikationer hos XY-individer orsakar reversering från manligt till kvinnligt kön” (Ludbrook et al., 2004). I den egenskapen kan DAX1 “fungera som antitestikelgen” (Sekido et al., 2009).

Omvärderingen den kvinnliga utvecklingen som "aktiv" gav upphov till en viktig genuspräglad innovation: forskare började identifiera specifika mekanismer som krävs för att skapa och vidmakthålla äggstockarna, under utvecklingen, efter födseln och upp i vuxen ålder. Flera genetiska kandidater framträdde, bland andra WNT4 och FOXL2. Forskare insåg att utvecklingen av det kvinnliga könet kräver ständigt underhåll under vuxenlivet – se Metod. Vissa gener, som WNT4, krävs specifikt för utveckling av kvinnligt kön, men inte för utveckling av manligt kön (Swain et al., 1998).

Aktuella studier tyder på att både de manliga och kvinnliga processerna bygger på dominanta gener, där SRY aktivt gynnar den manliga utvecklingen genom att uppreglera SOX9-uttrycket, medan B-catenin, Rspo1 och Foxl2 aktivt gynnar den kvinnliga utvecklingen genom att undertrycka SOX9. Det är en fråga om timing (och uttrycksnivå) som avgör vilken utvecklingsväg som får överhanden (Sekido et al., 2008; Veitia, 2010) – se figuren.

Molecular and Genetic Events in Mammalian Sex Determination

Metod: Ompröva koncept och teorier

Teorier och koncept är en faktor som styr forskningsprioriteringar. I fallet med genetiken för könsbestämning misslyckades biologerna med att ifrågasätta den standardmodell för äggstockarnas utveckling som övertagits från 1950- och 1960-talen. Uppfattningen om en "passiv" utveckling av det kvinnliga könet stämde överens med aktuella vetenskapsteorier och genusuppfattningar i samhället i stort (Schiebinger, 1989; Richardson, 2013). Omprövandet av teorin ledde till nya frågor om äggstocksutveckling och upptäckten av en kohort av gener som krävs för fungerande äggstockar. En mängd "genscreeningsförsök har visat att många gener uttrycks specifikt i äggstocken” (Liu, 2010).

Innovation med genusperspektiv 2: Upptäckt av kontinuerligt underhåll av äggstockar och testiklar

Utöver utvecklingen av äggstockar försökte forskarna förstå äggstockarnas specifika patologi. Biologer som studerar genetiken bakom blepharophimosis/ptosis/epicanthus inversus syndrome (BPES), associerad med ovarialsvikt, identifierade genen FOXL2 som nödvändig för äggstockarnas funktion (Crisponi, 2001). Senare forskning visade att FOXL2 behövs hos vuxna för att kontinuerligt undertrycka SOX9 och därmed förhindra att follikelcellerna omvandlas till "testikelliknande" celler (Uhlenhaut et al., 2009) – se diagrammet nedan, återgivet från Uhlenhaut et al., 2009.

Model of Sox9 Regulation for Sex Maintenace

Precis som med FOXL2 visade senare försök att "manlig könsbestämning inte är ett permanent val och att Dmrt1 är avgörande för att bibehålla den testikulära funktionen” (Herpin et al., 2011). På liknande sätt som FOXL2 kan omprogrammera äggstockens granulosaceller till testikulära sertoliceller, kan förlust av DMRT1 omprogrammera sertoliceller till granulosaceller. DMRT1 undertrycker vissa gener som är inblandade i utvecklingen av äggstockar – se diagrammet nedan, återgivet från Matson et al., 2011.

Model for Regulation by Postnatal Sex Maintenance by Dmrt1

Innovation med genusperspektiv 3: Nytt språk för att beskriva differentiering av gonader

Äggstocksutvecklingen ses inte längre som en "standardprocess" i den mening att avsaknaden av SRY automatiskt leder till utvecklingen av äggstockar. Forskare beskriver snarare båda utvecklingsvägarna som aktiva, och att det krävs komplexa genkaskader i rätt antal och vid rätt tidpunkt – se Metod.

Metod: Ompröva forskningsprioriteringar och resultat

I det här fallet ledde omprövningen av forskningsprioriteringar och resultat till nya forskningsprioriteringar. Medan forskningen kring genetiken för könsbestämning från 1940-talet fram till 1990-talet gynnade studier av gener som var involverade i uppkomsten av testikelvävnad från den odifferentierade gonaden, fokuserade få på studier på den ovariala utvecklingen. Även om många frågor återstår har forskare nu börjat identifiera de aktiva mekanismerna som krävs för att producera och bibehålla äggstockarna. Detta har i sin tur lett till ny forskning kring bibehållandet av den testikulära funktionen.

Konklusioner

Utvecklingen av äggstockar är helt klart inte en standardmässig eller passiv utvecklingsväg. Biologer, genetiker och andra forskare har insett att det är nödvändigt att förstå den ovariala utvecklingen för att kunna förstå genetiken bakom könsbestämning. Ny forskning kring den aktiva ovariala utvecklingsvägen har lett till förändrat språk i beskrivningen av könsbestämning – nuvarande språkbruk betonar genernas betydelse för bildandet av både äggstockar och testiklar.

Citerade verk

  • Bardoni, B., Zanaria, E., Guioli, S., Floridia, G., Worley, K., Tonini, G., Ferrante, E., Chiumello, G., McCabe, E., Fraccaro, M., Zuffardi, O., & Camerino, G. (1994). A Dosage Sensitive Locus at Chromosome X021 is Involved in Male to Female Sex Reversal. Nature Genetics, 7 (4), 497-501.
  • Berkovitz, G., Fechner, P., Marcantonio, S., Bland, G., Stetten, G., Goodfellow, P., Smith, K., & Migeon, C. (1992). The Role of the Sex-Determining Region of the Y Chromosome (SRY) in the Etiology of 46,XX True Hermaphroditism. Human Genetics, 88 (4), 411-416.
  • Biason-Lauber, A., & Konrad, D. (2008). WNT4 and Sex Development. Sexual Development, 2 (4-5), 210-218.
  • Bondy, C. (2010). Turner Syndrome. In Carrell, D., & Peterson, C. (eds.), Reproductive Endocrinology and Infertility: Integrating Modern Clinical and Laboratory Practice, pp. 307-324. New York: Springer Science and Business Media.
  • Brennan, J., & Capel, B. (2004). One Tissue, Two Fates: Molecular Genetic Events that Underlie Testis versus Ovary Development. Nature Reviews Genetics, 5 (7), 509-521.
  • Capel, B., & Kim, Y. (2006). Balancing the Bipotential Gonad between Alternative Organ Fates: A New Perspective on an Old Problem. Developmental Dynamics, 235 (9), 2292-2300.
  • Cotinot, C., Pailhoux, E., Jaubert, F., & Fellous, M. (2002). Molecular Genetics of Sex Determination. Seminars in Reproductive Medicine, 20 (3), 157-168.
  • Crisponi, L., Deiana, M., Loi, A., Chiappe, F., Uda, M., Amati, P., Bisceglia, L., Zelante, L., Nagaraja, R., Porcu, S., Ristaldi, M., Marzella, R., Rocchi, M., Nicolino, M., Leinhardt-Roussie, A., Nivelon, A., Verloes, A., Schlessinger, D., Gasparini, P., Bonneau, D., Cao, A., & Pilia, G. (2001). The Putative Forkhead Transcription Factor FOXL2 is Mutated in Blepharophimosis/Ptosis/Epicanthus Inversus Syndrome. Nature Genetics, 27 (2), 159-166.
  • DiNapoli, L., & Capel, B. (2008). SRY and the Standoff in Sex Determination. Molecular Endocrinology, 22 (1), 1-9.
  • Eicher, E., & Washburn, L. (1986). Genetic Control of Primary Sex Determination in Mice. Annual Review of Genetics, 20, 327-60.
  • Fausto-Sterling, A. (1989). Life in the XY Corral. Women’s Studies International Forum, 12 (3), 319-331.
  • Ford, C., Miller, O., Polani, E., de Almeida, J., & Briggs, J. (1959). A Sex Chromosome Anomaly in a Case of Gonadal Dysgenesis (Turner’s Syndrome). Lancet, 1 (7075), 711-713.
  • Herpin, A., & Schartl, M. (2011). Sex Determination: Switch and Suppress. Current Biology, 21 (17), R656-R659.
  • Jacobs, P., & Strong, J. (1959). A Case of Human Intersexuality Having a Possible XXY Sex-Determining Mechanism. Nature, 4657 (183), 302-303.
  • Jost, A. (1972). A New Look at the Mechanisms Controlling Sex Differentiation in Mammals. Johns Hopkins Medical Journal, 130 (1), 38-53.
  • Jost, A. (1970). Hormonal Factors in the Sex Differentiation of the Mammalian Foetus. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 259, 119-130.
  • Jost, A. (1947). Recherches sur la Différenciation Sexuelle de l'Embryon de Lapin. Archives d'Anatomie Microscopique et de Morphologie Expérimentale, 36, 271–315.
  • Kim, J., Bak, C., Chin, M., Cha, D., Yoon, T., & Shim, S. (2010). SRY-Negative 46,XX Infertile Male with Leydig Cell Hyperplasia: Clinical, Cytogenetic, and Molecular Analysis and Review of the Literature. Fertility and Sterility, 94 (2), 753e5-753e9.
  • Koopman, P., Gubbay, J., Vivian, N., Goodfellow, P., & Lovell-Badge, R. (1991). Male Development of Chromosomally Female Mice Transgenic for SRY. Nature, (351), 117-121.
  • Liu, C. (2010). The Role of Beta-Catenin in the Development of Fetal Ovary and Female Germ Cells. Urbana-Champaign: Illinois Digital Environment for Access to Learning and Scholarship (IDEALS).
  • Loffler, K., Zarkower, D., & Koopman, P. (2003). Etiology of Ovarian Failure in Blepharophimosis Ptosis Epicanthus Inversus Syndrome: Foxl2 Is a Conserved, Early-Acting Gene in Vertebrate Ovarian Development. Endocrinology, 144 (7), 3237-3243.
  • Ludbrook, L., & Harley, V. (2004). Sex Determination: A ‘Window’ of DAX1 Activity. Trends in Endocrinology and Metabolism, 15 (3), 116-121.
  • Matson, C., Murphy, M., Sarver, A., Griswold, M., Bardwell, V., & Zarkower, D. (2011). DMTR1 Prevents Female Reprogramming in the Postnatal Mammalian Testis. Nature, 476 (7358), 101-105.
  • Oxford English Dictionary. (2011). Default (Noun).
  • Persani, L., Rossetti, R., Cacciatore, C. & Bonomi, M. (2009). Primary Ovarian Insufficiency: X Chromosome Defects and Autoimmunity. Journal of Autoimmunity, 33 (1), 35-41.
  • Richardson, S. (2013). Sex Itself: The Search for Male and Female in the Human Genome. Chicago: The University of Chicago Press.
  • Schiebinger, L. (1989). The Mind Has No Sex? Women in the Origins of Modern Science. Cambridge: Harvard University Press.
  • Schmidt, D., Ovitt, C., Anlag, K., Fehsenfeld, S., Gredsted, L., Treier, A., & Treier, M. (2004). The Murine Winged-Helix Transcription Factor Foxl2 is Required for Granulosa Cell Differentiation and Ovary Maintenance. Development, 131 (4), 933-942.
  • Sekido, R., & Lovell-Badge, R. (2009). Sex Determination and SRY: Down to a Wink and a Nudge? Trends in Genetics, 25 (1), 19-29.
  • Sekido, R., & Lovell-Badge, R. (2008). Sex Determination Involves Synergistic Action of SRY and SF1 on a Specific Sox9 Enhancer. Nature, 453, 930-934.
  • Shaikh, M., Boyes, L., Kingston, H., Collins, R., Besley, G., Padmakumar, B., Ismayl, O., Hughes, I., Hall, C., Hellerud, C., Achermann, J., & Clayton, P. (2007). Skewed X Inactivation is Associated with Phenotype in a Female with Adrenal Hypoplasia Congenita. Journal of Medical Genetics, 45 (9), 1-5.
  • Sinclair, A., Berta, P., Palmer, M., Hawkins, J., Griffiths, B., Smith, M., Foster, J., Frischauf, A., Lovell-Badge, R., & Goodfellow, P. (1990). A Gene from the Human Sex-Determining Region Encodes a Protein with Homology to a Conserved DNA-Binding Motif. Nature, 346, 240-245.
  • Stevens, N. (1905). A Study of the Germ Cells of Aphis Rosae and Aphis Oenotherae. Journal of Experimental Zoology, 2 (3), 313-333.
  • Swain, A., Narvaez, V., Burgoyne, P., Camerino, G., & Lovell-Badge, R. (1998). Dax1 Antagonizes Sry Action in Mammalian Sex Determination. Nature, 391 (6669), 761-767.
  • Tannour-Louet, M., Han, S., Corbett, S., Louet, J., Yatsenko, S., Meyers, L., Shaw, C., Kang, S., Cheung, S., & Lamb, D. (2010). Identification of De Novo Copy Number Variants Associated with Human Disorders of Sexual Development. Public Library of Science (PLoS) Biology, 5 (10), e15392, 1-13.
  • Turnbull, C., Rapley, E., Seal, S., Pernet, D., Renwick, A., Hughes, D., Ricketts, M., Linger, R., Nsengimana, J., Deloukas, P., Huddart, R., Bishop, D., Easton, S., Stratton, M., Rahman, N., & The United Kingdom Testicular Cancer Collaboration (2010). Variants near DMRT1, TERT, and ATF7IP are Associated with Testicular Germ Cell Cancer. Nature Genetics, 42 (7), 604-607.
  • Uhlenhaut, N., Jakob, S., Anlag, K., Eisenberger, T., Sekido, R., Kress, J., Treier, A., Klugmann, C., Klasen, C., Holter, N., Riethmacher, D., Schütz, G., Cooney, A., Lovell-Badge, R., & Treier, M. (2009). Somatic Sex Reprogramming of Adult Ovaries to Testes by FOXL2 Ablation. Cell, 139 (6), 1130-1142.
  • Veitia, R. (2010). FOXL2 Versus SOX9: A Lifelong “Battle of the Sexes.” BioEssays, 32 (5), 375-380.
  • Vilain, E. (2009). X-Linked Adrenal Hypoplasia Congenita. In Pagon, R., Dolan, C., & Stephens, K. (eds.), Gene Reviews. Seattle: University of Washington Press.
  • Welt, C. (2007). Primary Ovarian Insufficiency: A More Accurate Term for Premature Ovarian Failure. Clinical Endocrinology, 68 (4), 499-509.
  • Wilson, E. (1905). The Chromosomes in Relation to the Determination of Sex in Insects. Science, 22 (564), 500-502.

Research on sex determination (the differentiation of the embryonic bipotential gonad into a testis or an ovary) traditionally focused on testis development. Andrew Sinclair’s 1990 Nature paper famously identified a Y-chromosome gene as the Sex-Determining Region Y (SRY). Female sexual development, by contrast, was thought to proceed as a "default" in the absence of Sry. In the case of sex determination, "default" became the prevailing concept for female pathways—i.e., an ovary results in the absence of other action. The active processes controlling ovarian development remained a blind spot. The notion of a "passive" female fit with current scientific theories and gender assumptions in the broader society.

Gendered Innovations:

Around 2010, questioning the notion of "default" led to the discovery of a cohort of genes required for ovarian function. Gender analysis led to three innovations in this field:

  1. Recognition of ovarian determination as an active process. These investigations have also enhanced knowledge about testis development, and how the ovarian and testicular pathways interact (see chart).
  2. Discovery of ongoing ovarian and testis maintenance. Research into the ovarian pathway revealed that the transcriptional regulator FOXL2 must be expressed in adult ovarian follicles to prevent "transdifferentiation of an adult ovary to a testis." Subsequently, researchers found that the transcription factor DMRT1 is needed to prevent reprogramming of testicular Sertoli cells into ovarian granulosa cells.
  3. New language to describe gonadal differentiation. Researchers have dismissed the concept of "default" and emphasize that, while female and male developmental pathways are divergent, the construction of an ovary (like the construction of a testis or any other organ) is an active process. Each pathway requires complex cascades of gene products in proper dosages and at precise times.

Molecular and Genetic Events in Mammalian Sex Determination