Vroeg in de menselijke ontwikkeling, tijdens het eerste trimester van de zwangerschap, kan een foetus XX- of XY-chromosomen hebben die het geslacht aangeven. Maar in dit stadium moet een massa cellen, bekend als de bipotentiële gonade, die zich uiteindelijk ontwikkelt tot eierstokken of teelballen, zich nog aan zijn uiteindelijke bestemming committeren.

Hoewel onderzoekers de stappen hadden bestudeerd die naar de latere stadia van dit proces gaan, is er weinig bekend over de voorlopers van de bipotentiële geslachtsklier. In een nieuwe studie gepubliceerd in Cell Reports en mede geleid door Kotaro Sasaki van Penn's School of Veterinary Medicine, legt een internationaal team de gedetailleerde ontwikkeling van dit belangrijke facet van seksuele determinatie uit in twee zoogdiermodellen.

"Met behulp van eencellige transcriptoomgegevens kunnen we veel informatie krijgen over genexpressie in elk ontwikkelingsstadium", zegt Sasaki. “We kunnen definiëren wat het standaardproces is en hoe het in sommige gevallen mis kan gaan. Dit is nog nooit gedaan in de traditionele ontwikkelingsbiologie. Nu kunnen we ontwikkeling in moleculaire termen begrijpen.”

Stoornissen in de geslachtsontwikkeling (DSD) treden op wanneer interne en externe voortplantingsstructuren zich anders ontwikkelen dan op basis van de genetica van een individu zou worden verwacht. Iemand met XY-chromosomen kan bijvoorbeeld eierstokken ontwikkelen. Deze aandoeningen beïnvloeden vaak de vruchtbaarheid en gaan gepaard met een verhoogd risico op kiemceltumoren.

"Deze aandoeningen veroorzaken vaak psychologische en fysieke problemen voor patiënten", zegt Sasaki. "Daarom is het belangrijk om de gonadale ontwikkeling te begrijpen."

Om atypische ontwikkeling te begrijpen, probeerden Sasaki en collega's in de huidige studie de stappen van typische ontwikkeling in kaart te brengen door te werken met een muismodel en een aapmodel.

De onderzoekers begonnen met het onderzoeken van muizenembryo's tijdens de embryonale ontwikkeling, met behulp van moleculaire markers om de locatie te volgen van verschillende eiwitten waarvan wordt vermoed dat ze betrokken zijn bij de vorming van voortplantingsstructuren. Ze merkten op dat op de negende dag van de embryonale ontwikkeling van een muis een structuur genaamd het achterste tussenliggende mesoderm (PIM) helder oplichtte met de marker voor een gen dat essentieel is voor de ontwikkeling van geslachtsklieren, nieren en de hormoonproducerende bijnieren, die zijn grenst aan de nieren.

Het team richtte zich op de PIM en zijn nageslachtcellen en ontdekte dat deze tegen dag 10.5 ook een marker tot expressie brachten waarvan bekend is dat deze geassocieerd is met de bipotentiële gonade.

"Mensen hebben eerder de oorsprong van de urogenitale organen en de nier bestudeerd en op basis daarvan geloofden ze dat hun oorsprong heel dichtbij was", zegt Sasaki. "Dus onze hypothese was dat de PIM de oorsprong was van zowel de geslachtsklieren als de nieren."

Om de oorsprong van de geslachtsklieren te identificeren, voerden ze lineage tracing uit, waarbij wetenschappers cellen labelen om hun nakomelingen te volgen, wat inderdaad de verbinding tussen de PIM en de geslachtsklieren ondersteunde.

Om verder te bevestigen dat de PIM een vergelijkbare rol speelde in een organisme dat dichter bij de mens staat in de voortplantingsbiologie, deden de onderzoekers soortgelijke waarnemingen in embryo's van cynomolgus-apen. Hoewel de timing van de ontwikkeling anders was dan die van de muis, zoals werd verwacht, leek de PIM opnieuw aanleiding te geven tot de bipotentiële gonade.

Door nog dieper in te gaan op het moleculaire mechanisme van de overgang tussen de PIM en bipotentiële geslachtsklieren, gebruikten de onderzoekers een geavanceerde techniek: single-cell sequencing-analyse, waarmee ze kunnen identificeren welke genen tijdens elke ontwikkelingsfase worden aangezet.

Ze waren niet alleen in staat genen te identificeren die waren ingeschakeld - waarvan er vele nooit eerder in verband waren gebracht met reproductieve ontwikkeling - maar ze observeerden ook een overgangstoestand tussen de PIM en de bipotentiële geslachtsklieren, het coelomisch epitheel genoemd. Door de muizen- en apenembryo's te vergelijken, kwamen de onderzoekers met een groep genen die geconserveerd waren, of gedeeld tussen de soorten. "Van sommige van deze genen is al bekend dat ze belangrijk zijn voor de ontwikkeling van eierstokken en teelballen van muizen en mensen," zegt Sasaki, "en sommige zijn betrokken bij de ontwikkeling van DSD's."

Hij merkt op dat bij ongeveer de helft van de patiënten met DSD's de genetische oorzaak echter onbekend is. "Dus deze database die we samenstellen, kan nu worden gebruikt om enkele aanvullende genen te voorspellen die belangrijk zijn bij DSD en kan worden gebruikt voor screening en diagnose van DSD's, of zelfs voor behandeling en preventie."

De studie belichtte ook de relatie tussen de oorsprong van de nieren, bijnieren en geslachtsklieren. "Ze zijn allemaal afkomstig van de PIM, maar de timing en positionering is anders", zegt Sasaki.

De bijnieren, zegt hij, ontwikkelen zich vanuit het voorste deel van de PIM, of dat gedeelte dichter bij het hoofd en ontstaan ​​vroeg, terwijl de nier later ontstaat uit het achterste deel van de PIM. De geslachtsklieren overspannen de PIM, waarbij sommige regio's zich eerder ontwikkelen en andere later.

In toekomstige studies willen Sasaki en collega's de details en stadia van gonadale ontwikkeling blijven uitpluizen. Het uiteindelijke doel van Sasaki is om de eigen stamcellen van een patiënt over te halen om in het laboratorium uit te groeien tot voortplantingsorganen.

"Sommige patiënten met DSD's hebben geen eierstokken en teelballen, en sommige kankerpatiënten ondergaan chemotherapie en verliezen hun eierstokfunctie volledig", zegt Sasaki. “Als je in het laboratorium een ​​stamcel zou kunnen laten uitgroeien tot een eierstok, zou je deze patiënten een vervangende therapie kunnen bieden, waardoor ze normale hormoonspiegels en zelfs vruchtbaarheid kunnen terugkrijgen. Met een nauwkeurige moleculaire kaart van de zich ontwikkelende geslachtsklieren in de hand, zijn we nu een stap dichter bij dit doel.”

###

Kotaro Sasaki is assistent-professor bij de afdeling Biomedische Wetenschappen van de University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine.

Sasaki's co-auteurs van het onderzoek waren Penn's Keren Cheng en Yasunari Seita; Akiko Oguchi, Yasuhiro Murakawa, Ikuhiro Okamoto, Hiroshi Ohta, Yukihiro Yabuta, Takuya Yamamoto en Mitinori Saitou van de Universiteit van Kyoto; en Shiga University of Medical Science's Chizuru Iwatani en Hideaki Tsuchiya. Sasaki en Saitou waren corresponderende auteurs.

De studie werd ondersteund door een JST-ERATO Grant (JPMJER1104), Grant-in-Aid for Specially Promoted Research van JSPS (17H06098), het Pythias Fund en het Open Philanthropy Fund van Silicon Valley Community Foundation (2019-197906).