Androgenresistenz:

I. Grundlagen der männlichen Geschlechtsdifferenzierung

aus korasion Nr. 2, Mai 2000

von PD Dr. med. Olaf Hiort
Klinik für Kinder- und Jugendmedizin
Universitätsklinikum Lübeck

Zusammenfassung

Die Androgenresistenz ist ein klinisch sehr heterogenes Krankheitsbild mit verminderter Vermännlichung bei normalem 46, XY-Karyotyp und endokrin funktionsfähiger Hodenanlage. Ursächlich ist eine Störung der Vermittlung der Androgenwirkungen.
Differentialdiagnostisch abzugrenzen ist die Androgenresistenz von anderen Ursachen einer gestörten männlichen Geschlechtsentwicklung: Dem intersexuellen Genitale können vielfältige Veränderungen in der Kaskade der Gonadenentwicklung oder aber in der Androgenbiosynthese bzw. hinsichtlich der Androgenwirkungen zugrunde liegen.
Genetisch bedingte Beeinträchtigungen der Hodenentwicklung gehen oftmals auch mit einer fehlerhaften Entwicklung anderer Organe einher. Zudem kommt es zu einer Funktionsminderung sowohl der Leydig- als auch der Sertoli-Zellen, so dass nicht nur die Androgenbiosynthese, sondern auch die Synthese des Anti-Müller-Hormons und des Inhibin B vermindert ist.
Hingegen gehen Störungen der Sexualdifferenzierung mit einem spezifischen Ausfall in der Steroidhormon-Wirkungskaskade einher. Entweder ist die Testosteronbiosynthese im Hoden beeinträchtigt, oder aber es kommt in den peripheren Zielzellen zu einer verminderten Bildung von Dihydrotestosteron. Und bei der Androgenresistenz wiederum ist die Vermittlung der Wirkungen dieser beiden Hormone über den Androgenrezeptor unterbrochen.
In den letzten Jahren konnten sowohl verschiedene Schlüsselgene der Hodenentwicklung, deren Ausfall zu einer Gonadendysgenesie führt, als auch die genetischen Grundlagen der Sexualdifferenzierung charakterisiert werden. Die Bedeutung molekulargenetischer Untersuchungen in der Differentialdiagnostik bei Störungen der männlichen Geschlechtsdifferenzierung hat aufgrund dieser Kenntnisse rasant zugenommen und zum Teil andere Untersuchungsverfahren abgelöst.

Die genaue Kenntnis der Ursachen eines intersexuellen Genitale bei 46,XY-Karyotyp ist Voraussetzung für die zielgerichtete Diagnostik und ein erfolgreiches multidisziplinäres Management.
Die Fortschritte auf dem Gebiet der Molekulargenetik und der Molekularbiologie haben sowohl einen großen Beitrag zum Verständnis der Grundlagen der Geschlechtsentwicklung als auch in der Diagnostik bei intersexuellem Genitale geleistet.
Im folgenden ersten Teil dieser Abhandlung sollen die Grundlagen der männlichen Geschlechtsentwicklung dargestellt werden, bevor im zweiten Teil auf die klinischen Erscheinungsbilder und deren Differentialdiagnose eingegangen wird.

Genetische Kontrolle der Hodenentwicklung

Die genetische Kontrolle der männlichen Geschlechtsdifferenzierung beginnt bei der Konzeption mit der Festlegung des Kerngeschlechts. Die Gonadenanlage ist zunächst aber indifferent und kann sich sowohl in Richtung Ovar als auch in Richtung Hoden entwickeln.

Die Bildung der indifferenten Gonadenanlage unterliegt dem Einfluss verschiedener Gene, die zum großen Teil auch für die Entwicklung anderer Organe essentiell sind. Eine Störung der Gonadenentwicklung auf dieser Stufe kann somit generell bei beiden Geschlechtern auftreten. Jedoch wird es nur bei genetisch männlichen Kindern zu einer Störung der Geschlechtsentwicklung durch den Ausfall der Androgenproduktion kommen.

Für die Bildung der indifferenten Gonadenanlage relevant ist u. a. eine Mutation im Steroidogenic Factor 1 (SF-1), die erst kürzlich nachgewiesen wurde. SF-1 ist ein Transkriptionsfaktor, der sowohl die Bildung der Gonadenanlage als auch die Nebennierenentwicklung beeinflusst. Das betroffene Kind hatte daher eine schwere Nebenniereninsuffizienz und zeigte einen äußerlich weiblichen Phänotyp bei normalem 46,XY-Karyotyp. Es ließen sich keine Steroidhormone im Serum nachweisen, und zudem war eine Uterusanlage vorhanden.

Das Gen, das für den SF-1 kodiert, ist das FTZ-F1-Gen. Die zugehörige Messenger-RNS wurde sowohl in der Urogenitalanlage und auch in Hirnstrukturen nachgewiesen (1).

Ein weiteres relevantes Gen für die Bildung der undifferenzierten Gonaden stellt das Wilms-Tumor-1 (WT-1)-Gen dar. Veränderungen im WT-1-Gen sind mit mehreren Syndromen assoziiert, bei denen die Entwicklung der Gonaden beider Geschlechter gestört sein kann. Oftmals kommt es zudem zu einer Nephropathie und zur Ausbildung meist bilateraler Wilms-Tumoren (Denys-Drash-Syndrom).

Bestimmte Mutationen im WT-1-Gen führen zur Entwicklung von Gonadoblastomen (Frasier-Syndrom). Komplexere Fehlbildungen liegen beim WAGR-Syndrom vor (Wilms-Tumoren, Aniridie, Genitalfehlbildungen und mentale Retardierung)(2).

Des weiteren wurden verschiedene Gene identifiziert, die die Entwicklung der undifferenzierten Gonadenanlage zu Hodengewebe steuern. Zu den wichtigsten bekannten Genen gehört die sog. SRY, die Sex-determinierende-Region auf dem Y-Chromosom. SRY ist das Gen, das für den Testis-determinierenden Faktor kodiert, der ebenfalls ein Transkriptionsfaktor ist und die Expression anderer Gene kontrolliert.

Es sind eine Reihe von Mutationen im SRY-Gen beschrieben worden. Sie führen in den meisten Fällen zu einer kompletten Gonadendysgenesie (Swyer-Syndrom). Allerdings sind zwei Fälle bekannt, bei denen Mutationen in der SRY mit der Bildung von Ovotestes vergesellschaftet sind, also mit einem echten Hermaphroditismus (3, 4).

Gegenspieler des SRY-Gens ist das DAX (Dosage-sensitive sex reversal locus-adrenal hypoplasia congenita-critical region on the X-chromosome)-1-Gen auf dem X-Chromosom. Mutationen im DAX-1-Gen führen - wie schon die Bezeichnung dieses Gens deutlich macht - nicht zu einer Störung der Hodenentwicklung, sondern zu einer Nebennierenrindenhypoplasie und zu einem hypogonadotropen Hypogonadismus. Hingegen kommt es bei einer Duplikation des DAX-1-Gens zu einer Dosis-abhängigen Repression des SRY-Gens, so dass die Hodenentwicklung behindert wird.

Autosomale Gene, die dem SRY-Gen ähnlich sind, haben ebenfalls eine Bedeutung in der Hodenentwicklung. Das SOX(SRY-box-related)-9-Gen spielt zudem eine gewichtige Rolle in der Chondrogenese. Deshalb führen Mutationen in diesem Gen auch zu einer Skelettdysplasie, assoziiert mit Genitalfehlbildungen, d. h. zu einer kampomelischen Dysplasie.

Zusätzlich zu diesen bekannten Genen werden weitere wichtige genetische Faktoren auf den Chromosomen 9 und 10 vermutet, deren Aufklärung in naher Zukunft zu erwarten ist. Auf dem Chromosom 9 konnten kürzlich bereits die Gene DMRT-1 und DMRT-2 identifiziert werden, die für die Entwicklung des Urogenitaltraktes wichtig sind. Fehlen beide Gene infolge Delektion, so kommt es zu Fehlbildungen im harnableitenden System und auch zu schweren Genitalfehlbildungen (5).

Eine Unterbrechung der genetischen Kaskade, durch die die Hodenentwicklung gesteuert wird, führt zu einer globalen testikulären Insuffizienz, d. h. sowohl zur Insuffizienz der Leydig-Zellfunktion als auch zur Insuffizienz der Sertoli-Zellfunktion. Dementsprechend resultiert ein Ausfall aller Hormone, die von diesen Zellen gebildet werden, ein Faktum, das für die Differentialdiagnose des intersexuellen Genitale bei männlichen Kerngeschlecht von entscheidender Bedeutung ist. Denn die spezifischen Störungen der Sexualdifferenzierung, denen Defekte der Enzyme der Androgenbiosynthese oder aber Androgenrezeptor-Defekte zugrunde liegen, gehen mit einer normalen endokrinen Sertoli-Zellfunktion einher.

Wird ein Defekt in einem der Gene der Gonadenentwicklung vermutet, so sollte sehr ausführlich auf weitere Organanomalien bzw. -fehlbildungen, insbesondere der Nebennieren und der harnableitenden Wege, geachtet werden.

Sexualdifferenzierung (Anti-Müller-Hormon)

In der Embryonalzeit sind zunächst die Anlagen sowohl für das Wolffsche als auch für das Müllersche Gangsystem unabhängig vom genetischen Geschlecht vorhanden. Es sind dann die Sertoli-Zellen, die das Anti-Müller-Hormon (AMH) produzieren. Dieses Hormon muss jedoch in hoher Konzentration in den mesenchymalen Zellen der Müllerschen Derivate vorhanden sein, um deren Regression zu induzieren. Kommt es aufgrund eines Mangels an Sertoli-Zellen oder aber aufgrund einer Störung im AMH-System selbst zu einer verminderten Exkretion von AMH, so bilden sich - teilweise oder vollständig - Müllersche Strukturen aus.

Eine verminderte AMH-Sekretion kann Ausdruck einer Gonadendysgenesie sein; dann ist auch die Androgenproduktion durch die Leydig-Zellen vermindert. Selten hingegen sind primäre genetische Defekte im AMH selbst oder aber Defekte des zugehörigen AMH-Rezeptors, der die Wirkung des AMH vermittelt. In letzteren Fällen kommt es zur Entwicklung des Müllerschen Gangsystems bei äußerlich unauffälligem männlichen Habitus (6).

Biosynthese der Androgene

Die Leydig-Zellen stehen in der Embryonalzeit zunächst unter der Kontrolle des plazentaren hCG, bevor in der späteren Schwangerschaft LH aus der fetalen Hypophyse die Androgensynthese steuert. Ab der 8. Gestatationswoche wird Testosteron in fünf enzymatischen Schritten aus Cholesterin gebildet, wobei der dazu notwendige P450c17-Komplex sowohl 17a-Hydroxylase- als auch 17/20-Lyase-Aktivität aufweist.

Eine Schlüsselrolle in der Steroidsynthese kommt der Durchschleusung des Cholesterins durch die innere Membran der Mitochondrien zu, in denen die Umwandlung von Cholesterin durch die P450-Enzyme erfolgt. Defekte im verantwortlichen Transportprotein (Steroidogenic Acute Regulatory Protein = StAR), aber auch Störungen der 3b-Hydroxysteroid-Dehydrogenase oder des P450c17-Enzymkomplexes gehen mit einem adrenogenitalen Syndrom (AGS) einher. Daher ist die Erfassung einer Nebennierenrindeninsuffizienz von großer Bedeutung in der Differentialdiagnostik bei intersexuellem Genitale, und zwar auch bei genetisch männlichen Patienten mit einer Geschlechtsdifferenzierungsstörung (7).

Ein isoliertes Virilisierungsdefizit beruht sehr selten auf Mutationen im P450c17-Komplex, die nur die 17/20-Lyase-Aktivität betreffen. Sehr viel häufiger sind Störungen des 17b-Hydroxysteroid-Dehydrogenase-Enzyms, welches im Hoden den letzten Schritt der Testosteronsynthese von Androstendion zu Testosteron katalysiert (8, 9).

Bisher sind fünf 17b-HSD-Isoenzyme bekannt. Nur Veränderungen im Isoenzym Typ 3 - bei 17 beschriebenen verschiedenen Mutationen im kodierenden Gen - führen jedoch zum klinischen Bild des 17b-HSD-Mangels.

Nach kürzlich publizierten Ergebnissen sowie auch nach eigenen Erkenntnissen ist der 17b-HSD-Mangel nach der Androgenresistenz die häufigste Ursache einer Störung der männlichen Sexualdifferenzierung: Die 46,XY-Patienten werden meist mit einem fast komplett weiblich imponierenden äußeren Genitale geboren. Es kann allerdings auch eine deutlichere Virilisierung vorhanden sein. Müllersche Strukturen fehlen, und die Hoden sind im Leistenkanal zu lokalisieren. Obwohl ein erheblicher Testosteronmangel vorliegt, sind die Nebenhoden häufig normal ausgebildet. Zum Zeitpunkt der Pubertät kommt es zu einer oft ausgeprägten Virilisierung mit Vertiefung der Stimme und Klitorishypertrophie. Dies könnte auf die vermehrte Bildung von Testosteron durch Vermittlung anderer Isoenzyme der 17b-Hydroxysteroid-Dehydrogenase zurückzuführen sein.

Ein ähnlicher Phänotyp liegt bei 5a-Reduktase-Mangel vor (10), als dessen Ursache Mutationen im kodierenden SRD5A2-Gen bekannt sind. Bei diesen Patienten finden sich hohe Testosteronspiegel im Serum. Gestört ist aber die periphere Umwandlung in das für die Virilisierung wichtigere 5a-Dihydrotestosteron (DHT).

Bisher sind zwei Isoenzyme der 5a-Reduktase bekannt. In Genitalstrukturen ist die 5a-Reduktase Typ 2 in hohem Maße exprimiert.

Die molekularen Strukturen aller Enzyme der Androgenbiosynthese sind entschlüsselt. Definierte genetische Defekte als Grundlage für eine Virilisierungsstörung haben sich in jedem dieser Enzyme außer im P450scc-Komplex nachweisen lassen. Die Vererbung ist bei allen Störungen der Androgenbiosynthese autosomal-rezessiv.

Mechanismen der Androgenwirkungen

Die Wirkungen der androgenen Steroidhormone werden über den Androgenrezeptor vermittelt. Dieser ist ein nukleärer Transkriptionsfaktor, d. h. dass zielgerichtete Wirkungen durch die Regulierung der Transkription von Genen erfolgen.

Der Androgenrezeptor wird ab der 9. Gestationswoche in Embryos beiderlei Geschlechts gebildet. Daher kann die vermehrte Bildung von Androgenen auch bei 46,XX-Embryos zu einer unerwünschten Virilisierung der Kinder führen.

Das Androgenrezeptor-Gen ist auf dem X-Chromosom lokalisiert. Es handelt sich um ein hoch konserviertes Gen, das etwa 90 Kilobasen umfasst und acht Exons enthält. Es kodiert für ein Protein von etwa 110 kDalton mit 910 bis 919 Amonosäuren, die im wesentlichen drei Funktionsdomänen umfassen:

• Einen großen Bereich mit etwa 535 Aminosäuren, der in die Transkriptionsregulierung involviert ist,
• Eine kurze DNS-bindende Domäne und
• Eine Hormonbindungsdomäne.

Zusätzliche kleine Funktionsdomänen wie zum Beispiel ein Kernlokalisierungssignal wurden durch In-vitro-Experimente mit künstlich verändertem Rezeptor identifiziert.

Die Regulierung der Transkription von Zielgenen durch den Androgenrezeptor ist ein komplexer, bis heute kaum verstandener Mechanismus. Er umfasst die Hormonbindung, die Phosphorylierung des Rezeptors selbst, seine Dissoziation von Hitzeschock-Proteinen, die Dimerisation von zwei Rezeptorproteinen, den intrazellulären Proteintransport und die Translokalisation in den Zellkern (11, 12).

Bislang sind nur sehr wenige, durch den Androgenrezeptor regulierte Gene bekannt. Die Identifizierung solcher Gene in der nahen Zukunft wird neue Einblicke in die Physiologie der Androgenwirkungen und damit der männlichen Geschlechtsdifferenzierung bringen.

Literatur

1. Achermann JC, lto M, lto M, Hindmarsh PC, Jameson JL.: A mutation in the gene encoding steroidogenic factor 1 causes xy sex reversal and adrenal failure in humans. Nat Genet 1999; 22; 125-126;
2. Hiort O, Holterhus PM.: The molecular basis of male sexual differentiation. Eur J Endocrinol 2000; 142: 101-110;
3. Hiort O, Gramß B, Klauber G.: True hermaphroditism with 46,XY karyotype and a point mutation in the SRY gene. J Pediatr 1995; 126; 1022;
4. Capel B.:Sex in the 90s: SRY and the switch to male pathway. Ann Rev Physiol 1998; 60: 497-523;
5. Raymond CS, Parker ED, Kettlewell JR, Brown LG, Page DC, Kusz K, Jaruszelska J, Reinber Y, Flejter WL, Bardwell VJ, Hirsch B, Zarkower D.: A region of human chromosome 9p required for testis development contains two genes related to known sexual regulators. Hum Mol Genet 1999; 8: 989-996;
6. Lee MM, Donahue PK.: Müllerian inhibiting substance: a gonadal hormone with multiple functions. Endocr Rev 1993; 14: 152-164;
7. Miller WL.: Early steps in androgen biosynthesis: from cholesterol to DHEA. Baill Clin Endocrinol Metab 1998, 12: 67-81;
8. Boehmer AL, Brinkmann AO, Sandkuijl LA, Halley DJ, Niermeijer MF, Andersson S, de Jong FH, Keyserili H, de Vroede MA, Otten BJ, Rouwe CW, Mendonca BB, Rodrigues C, Bode HH, de Ruiter PE, Delemarre-van de Waal HA, Drop SL.: 17b-hydroxysteroid dehydrogenase-3 deficiency: diagnosis, phenotypic variability, population genetics, and worldwide distribution of ancient and de novo mutations. J Clin Endocrinol Metab 1999; 84: 4713-4721;
9. Twesten W, Holterhus PM, Sippell WG, Schumacher H, Morlot M, Schenk B, Hiort O.: Clinical, endocrine, and molecular genetic findings in patients with 17b-hydroxysteroid-dehydrogenase deficiency. Horm Res (im Druck);
10. Sinnecker GHG, Hiort O, Dibbelt L, Albers N, Dörr HG, Hauß H, Heinrich U, Hemminghaus M, Hoepffner W, Holder M, Schnabel D, Kruse K.: Phenotypic classification of male pseudohermaphroditism due to steroid 5a-reductase 2 deficiency. Am J Med Genet 1996; 63: 223-230;
11. Quigley CA, DeBellis A, Marschke KB, El-Awady MK, Wilson EM, French FS.: Androgen receptor defects: historical, clinical, and molecular perspectives.  Endocr Rev 1995; 16: 271-321;
12. Hiort O, Holterhus PM, Nitsche EM.: Physiology and pathophysiology of androgen action. Baillieres Clinical Endocrinology and Metabolism 1998; 12/1: 115-132.