The Role of the Wnt Family and Homeobox Genes

De hierboven beschreven embryonale gebeurtenissen worden in grote mate aangestuurd door de expressie van gesecreteerde liganden van de wingless-type MMTV integration site (Wnt) familie (WNT4, WNTa, WNT7a) en transcriptionele regulatoren van de homeobox (HOX) genenfamilie (Fig. 10.1).4-6 Dit morfogenetische programma kan alleen worden uitgevoerd in afwezigheid van anti-müllerian-hormoon (AMH), een lid van de transformerende groeifactor β familie, gemaakt door de sertoli cellen van de foetale testes. Bij afwezigheid van testosteron rekken de müllerian ducts uit en ontwikkelen zich tot de eileiders, de baarmoeder, de baarmoederhals en het bovenste deel van de vagina. De elongatiefase van de müllerian ducts vereist een aantal factoren. Gezien hun gemeenschappelijke embryonale oorsprong zijn de vroege ontwikkeling in de muis van de nieren, urineleiders en voortplantingsorganen nauw met elkaar verbonden en zijn er andere specifieke genen bij betrokken, waaronder Pax2, Lim1, Emx2, alsmede de leden van de Wnt en abdominale-B HOXA genenfamilies.7 Lim1 codeert voor een transcriptiefactor die samen met PAX2 essentieel is voor de ontwikkeling van de urogenitale tractus. Bij Lim1-nul muizen ontbreken baarmoeders en eileiders.8 Bij Pax2-nul muizen ontbreken nieren, urineleiders en geslachtsorganen.9 Caudale elongatie van de paramesonephric duct is afwezig. EMX2 is een andere transcriptiefactor van de homeodomeingenfamilie die essentieel lijkt te zijn voor de ontwikkeling van de urogenitale tractus.10 EMX2 komt sterk tot expressie in de volwassen baarmoeder en de expressie ervan is gecorreleerd met celproliferatie en lijkt te worden geremd door het homeoboxgen, HOXA10. Er is verminderde expressie van PAX2 en LIM1, en het mesenchymale segmentale polariteitsproduct, WNT4, is ook afwezig in muizen die EMX2 missen, wat de essentiële rol voor deze transcriptiefactor suggereert.

De studie van muizen met gerichte inactivering van Wnt-genen onthulde het belang van deze signaalmoleculen in de ontwikkeling van het voortplantingskanaal.4 De müllerian ducts zijn afwezig in vrouwelijke muizen die Wnt4 missen, een gen dat tot expressie komt in het mesenchym.5 Bovendien zijn vrouwelijke muizen die WNT4 missen gedeeltelijk geslachtsrevers door het behoud van de wolffian ducts. Gevallen van WNT4 null mutaties geassocieerd met müllerian duct regressie en een fenotype, inclusief hyperandrogenemie, dat lijkt op dat van de WNT4 knockout muis zijn gemeld bij vrouwen.11 WNT9b komt tot expressie in het wolffian duct epithelium en is noodzakelijk voor müllerian duct uitbreiding.12 Deficiëntie van Wnt5a, een gen dat tot expressie komt in de genitale tuberkel en het mesenchym van de genitale tractus, resulteert in muizen met onvolgroeide genitale tuberkels en de afwezigheid van uitwendige genitaliën.4 WNT7a expressie wordt gevonden in het luminale epitheel van de müllerian ductus13 en is betrokken bij paracriene signalering naar het endometriale mesenchym. Hoewel WNT7A mutaties niet zijn gevonden bij vrouwen met müllerian anomalieën,14 is bij muizen die WNTta missen de eileider niet duidelijk afgebakend van de bovenste baarmoeder hoorn, en ontwikkelt de baarmoeder cellulaire kenmerken die vergelijkbaar zijn met de vagina (inclusief een gelaagd epitheel zonder baarmoeder klieren), en de baarmoeder gladde spier is gedesorganiseerd.8-9 Postnatale expressie van HOXA10 en HOXA11 in de baarmoeder is ook verloren gegaan. Mesenchymaal beta-catenine blijkt de essentiële down-stream effector van de WNT7A pathway te zijn, en medieert de effecten op de eileider en de juiste ontwikkeling van de baarmoeder.15 De Wnt familie van genen, inclusief receptoren en downstream signaalmoleculen, komen ook tot expressie op een gereguleerde manier in het volwassen voortplantingskanaal, wat erop wijst dat zij aanvullende rollen hebben naast die betrokken bij vroege morfogenetische gebeurtenissen, waaronder de regulatie van steroïde hormoonwerking in volwassen weefsels (later in het hoofdstuk besproken).4-6,16-19

De HOX genen coderen voor een evolutionair geconserveerde familie van transcriptiefactoren die een kenmerkend 60 aminozuur deoxynucleïnezuur (DNA)-bindend homeodomain bevatten.6 Zij spelen een cruciale rol in het organiseren van cellen langs de anterior-posterior as en het sturen van de cellen om een bepaalde ontwikkelingsroute te kiezen. Zoogdier HOX genen zijn gerangschikt in vier verschillende clusters, A tot D genoemd, waarbij elke cluster een lineaire rangschikking heeft die parallel loopt met de volgorde van expressie langs de voorste-voorste lichaamsas. De expressie van HOXA genen in het voortplantingskanaal van de mens en de muis is geconserveerd, waarbij HOXA9 tot expressie komt in de eileiders, HOXA10 en HOXA11 in de baarmoeder, HOXA11 in de baarmoederhals, en HOXA13 in de bovenste vagina.6 Hoewel er een consistente regionale verdeling is van de expressie van HOX genen langs het voortplantingskanaal, zijn er aanwijzingen voor enige functionele redundantie tussen de aangrenzende genen. Net als de WNT genen komen ook de HOXA genen tot expressie in de volwassen baarmoeder en hun expressie staat onder steroïdhormoon (oestrogeen en progesteron) regulatie. HOXA10 en HOXA11 zijn beide betrokken bij het innestelingsproces.20

Het belang van de homeobox genfamilie voor de functie van het voortplantingskanaal is aangetoond door gerichte deleties in specifieke HOXA genen. Een andere belangrijke ontdekking was dat het hand-voet-genitale syndroom en het Guttmacher-syndroom, autosomaal dominante aandoeningen die botten in de handen en voeten aantasten en afwijkingen aan het voortplantingskanaal veroorzaken (waaronder bicornuate baarmoeder), worden veroorzaakt door mutaties in het HOXA13-gen.21,22 Tot op heden zijn mutaties in HOXA7 tot HOXA13 en HOX-gen cofactor pre B-cell leukemie homeobox1 (PBX1) echter nog niet gevonden bij personen met congenitale afwezigheid van de baarmoeder en vagina. Muizen met gerichte deleties in de HOXA10 en HOXA11 genen hebben subtiele afwijkingen in de baarmoedermorfologie, inclusief transformatie van het bovenste baarmoedersegment in een eileg-achtige histologie (HOXA10 mutanten); verminderde endometriale stromale ontwikkeling en expressie van leukemia inhibitory factor (LIF) worden gezien in HOXA11 mutanten.20,23 Opmerkelijk is dat zowel HOXA10 als HOXA11 nullizygote wijfjes onvruchtbaar zijn door een baarmoederfactor, wat deze genen impliceert in het innestelingsproces bij de volwassene. Muizen die H6 homeobox 3 (Hmx3) missen, een ander genproduct uit het homeobox-domein, zijn ook onvruchtbaar door een implantatiedefect dat verband houdt met verstoringen in de WNT- en LIF-genenexpressie.24

Müllerian anomalies vertegenwoordigen een complexe en zeldzame verzameling van ontwikkelingsdefecten die bij 5% van de algemene bevolking voorkomen. Afhankelijk van het ontwikkelingsstadium waarin ze optreden, kunnen deze afwijkingen in het voortplantingskanaal mild zijn (inclusief een baarmoederscheidingswand) of ernstig met volledige afwezigheid van de baarmoederhals, baarmoeder, en eileiders. Deze kunnen gepaard gaan met onvruchtbaarheid, endometriose en miskramen, maar kunnen ook chirurgische correctie vereisen en worden vaak ontdekt ten tijde van de puberteit, zo niet eerder.25 Gezien de nauwe interactie in de ontwikkeling tussen het müllerianum en het urinewegstelsel, is het niet verwonderlijk dat gecombineerde nier- en müllerianus duct agenese voorkomen.26 De patronen en genetica van müllerian anomalieën geven verder inzicht in de embryologie van de morfogenese van het voortplantingskanaal.

Mayer-Rokitansky-Küster-Hauser syndroom (MRKH) is de congenitale aplasie of ernstige hypoplasie van de volwassen afgeleiden van de müllerian ducts, met inbegrip van de eileiders, baarmoeder, baarmoederhals, en bovenste vagina. Hoewel müllerian hypoplasie een kenmerk kan zijn van vele andere specifieke genetische syndromen,27 is in MRKH, müllerian hypoplasie de meest prominente anomalie. MRKH heeft een incidentie van ten minste 1 op 4500 vrouwen en wordt gewoonlijk onderverdeeld in type I, geïsoleerde müllerian hypoplasie en type II, ook bekend als müllerian Renal Cervico-thoracic Somite (MURCS associatie), waarbij nier-, skelet- en gehoorafwijkingen voorkomen, evenals incidentele cardiale en digitale afwijkingen.11 De meest voorkomende nierafwijkingen zijn unilaterale agenese, ectopie van de nieren en de hoefijzernier; de meest voorkomende skeletafwijkingen zijn vergroeide wervels (meestal cervicaal) en scoliose. Fusie van ten minste twee cervicale segmenten, korte nek, lage haarlijn, en beperking van de nekbeweging, bekend als het Klippel Feil syndroom, wordt gezien.11 De genetische basis van deze syndromen is grotendeels onbekend, maar een paar gendefecten zijn in verband gebracht. Copy number variants (CNVs), als gevolg van microdeleties en microduplicaties komen relatief vaak voor,28 vooral op 16p11.2 en 17q12. Bovendien zijn CNV’s waarbij het gen voor de homeobox voor korte gestalte (SHOX) op Xp22 betrokken is, in sommige MRKH-gevalreeksen ontdekt,29 maar in andere niet.30 Studies van kandidaatgenen, gesuggereerd door muis- en humane mutatiefenotypen, hebben niets opgeleverd, waarbij defecten in AMH-receptoren, Wilms Tumor 1 (WT1), PAX2, galactose-1-fosfaat uridyl transferase (GALT), cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), of de HOXA-clustergenen niet met het MRKH-syndroom in verband werden gebracht.

Meer recent is een derde aparte entiteit, MRKH geassocieerd met hyperandrogenisme, gerapporteerd en een duidelijke associatie met vier verschillende defecten in het WNT4-gen is bevestigd.31-34 Studies van de gemuteerde WNT4-eiwitten in celcultuur en WNT4-deficiëntie bij muizen suggereren dat hyperandrogenisme het gevolg is van het falen van WNT4-gemedieerde repressie (via bèta-catenine stabilisatie) van zowel CYP17A1 als HSD3B2 of alleen CYP17A1. Het falen van müllerian duct formatie lijkt het gevolg te zijn van de vereiste voor WNT4/bèta-catenine signalering in müllerian ontwikkeling. Meerdere case series van MRKH zonder hyperandrogenisme hebben geen associatie gevonden met WNT4 mutaties, wat de hypothese versterkt dat MRKH met hyperandrogenisme een klinisch en genetisch verschillende aandoening is.29,35-38

Een klinische benadering van MRKH patiënten moet evaluatie van bekkenanatomie beeldvorming, renale anatomie beeldvorming, meting van plasma follikelstimulerend hormoon (FSH), oestradiol, en testosteron bevatten. Afhankelijk van de geassocieerde symptomen en verschijnselen kunnen aanvullende tests een elektrocardiogram (ECG), audiogram, röntgenfoto’s van het skelet en laparoscopie van het bekken omvatten. Behandeling met een dilatator of het maken van een neovagina kan ook nodig zijn om geslachtsgemeenschap mogelijk te maken. Aangezien draagmoederschap bij een MRKH-patiënte haar in staat zou stellen een genetisch verwant kind te krijgen, kunnen genetische tests of pre-implantatie genetische screening geïndiceerd zijn.

De morfogenese van het vrouwelijke voortplantingskanaal vereist niet de werking van oestrogeen. De eileiders, baarmoeder, baarmoederhals en vagina worden gevormd bij muizen met inactiverende mutaties van beide nucleaire oestrogeenreceptoren (ERα en ERβ).39 Ondanks deze onafhankelijkheid van maternale of foetale oestrogenen, kan de normale differentiatie van het vrouwelijke voortplantingskanaal paradoxaal genoeg worden verstoord door exogene oestrogenen.40 Diethylstilbestrol (DES), een synthetisch oestrogeen dat baarmoeder- en baarmoederhalsafwijkingen veroorzaakt bij blootgestelde vrouwen (verderop in dit hoofdstuk besproken), en polychloorbifenylen onderdrukken de expressie van WNT7a en veranderen het expressiepatroon van HOXA9 en HOXA10 in het muizenvoortplantingskanaal via ERα.39-41 Dit suggereert dat veranderingen in de expressie van HOXA- en WNT-genen het waarschijnlijke moleculaire mechanisme zijn dat ten grondslag ligt aan de anatomische defecten die worden waargenomen bij menselijke vrouwen die in utero aan DES zijn blootgesteld. Postnataal progesteron kan ook de normale ontwikkeling van de endometriumklier remmen, zoals aangetoond bij het pasgeboren ooi.42 Met behulp van dit model blijkt dat aglandulair endometrium gepaard gaat met een verstoring van het WNT-systeem,43 en illustreert dat, hoewel de normale ontwikkeling onafhankelijk kan zijn van steroïdhormonen, blootstelling op het verkeerde moment de normale ontwikkelingspaden kan veranderen.