Формирование пола осуществляется за счет пространственно, во времени и иерархически регулируемых генетических программ, которые предопределяют фенотип индивида вместе с факторами внеш9ней среды, которые влияют на половой фенотип (rev. Wilhelm and Koopman,2006; Achermann and Hughes,2011; Conte and Grumbach,2011) (Fig. 1). У человека генетический пол детерминируется как 46,XY у мужчин и 46,XX женщин при зачатии. Поскольку SRY (sex determining region Y) на Y хромосоме оказывает доминантный эффект на детерминацию пола гонад, индифферентные бипотенциальные гонады развиваются как тестисы плода в присутствии SRY и как оварии плода в отсутствие SRY. Тестисы плода ассоциированы с соматическими клетками, продуцирующими гормоны (Leydig cells и Sertoli cells), но они лишены мейотических клеток, в то время как оварии плода ассоциированы с мейотическими ооцитами, но лишены соматических клеток, продуцирующих гормон. Последующая дифференцировка пола во время плодной жизни зависит от присутствия или отсутствия гормонов, происходящих из тестисов плода, т.e., testosterone, insulin-like factor 3 (INSL3) и anti-Mullerian hormone (AMH). В самом деле, яички опускаются в мошонку прежде всего из-за регрессии с помощью тестостерона краниальной поддерживающей лигаменты и развития gubernaculum за счет INSL3, в то время как яичники остаются в полости живота из-за отсутствия таких гормонов. Из половых протоков, которые появляются как у самцов, так и самок, развиваются Вольфовы протоки в эпидидимис, vas deferens, и семенной пузырёк у самцов благодаря эффекту тестостерона и они регрессируют у самок в отсутствие тестостерона, тогда как Мёллеровы протоки регрессируют у самцов благодаря эффектам AMH и превращаются в матку, фаллопиевы трубки, а верхняя треть матки у самок лишена AMH. Наружные гениталии и возможно головной мозг также маскулинизируются, когда присутствуют андрогены, такие как тестостерон и dihydrotestosterone (DHT), и феминизируются, когда такие андрогены отсутствуют. Половая дифференцировка далее прогрессирует с гаметогенезом во время полового созревания.

Figure 1. Schematic representation of sex development during the fetal life.

Т.о., андрогены играют важную роль в предопределении мужского пола во время плодной жизни. В частности, поскольку DHT является наиболее мощным эндогенным андрогеном, то он обязателен для маскулинизации наружных гениталий во время плодной жизни, а также для полового созревания мальчиков (Matsumoto and Bremner,2011). В самом деле, хотя и тестостерон и DHT могут соединяться с рецепторами андрогенов, DHT обладает значительно большим сродством к андрогеновым рецепторам, чем тестостерон (Matsumoto and Bremner,2011). В этой связи известно, что тестостерон продуцируется в тестисах плода за счет стимуляции с помощью плацентарного хорионального гонадотропина во время критического периода формирования пола и с помощью гипофизарных гонадотропинов во втором и третьем триместрах, а также в перирод половозрелости (Grumbach and Gluckman,1994; Wilhelm and Koopman,2006; Dattani et al.,2011; Styne and Grumbach,2011). Также известно, что DHT происходит из тестостерона в тканях мишенях, таких как ткани наружных гениталий (Wilhelm and Koopman,2006; Achermann and Hughes,2011), и этот метаболический процесс от холестерола до DHT через посредство тестостерона называется обычным "frontdoor" путем. Более того, недавнее исследование предоставило неотразимые доказательства присутствия альтернативного "backdoor" пути для биосинтеза DHT, который обходит продукцию тестостерона ( Miller and Auchus,2011).

Table 1. Terminology for steroid metabolites and enzymes
Steroid Metabolites 
 

Chemical name        Trivial name        Short name
5-pregnen-3β-ol-20-one        pregnenolone
4-pregnen-3,20-dione        progesterone
5-pregnen-3β,17α-diol-20-one  17-hydroxypregnenolone        17-OH pregnenolone
4-pregnen-17α-ol-3,20-dione        17-hydroxyprogesterone        17-OH progesterone
5-androsten-3β-ol-17-one        dehydroepiandrosterone        DHEA
4-androsten-3,17-dione        androstenedione
4-androsten-17β-ol-3-one        testosterone
5?-androstan-17β-ol-3-one        dihydrotestosterone        DHT
5?-pregnane-3,20-dione        dihydroprogesterone        DHP
5?-pregnane-3α-ol-20-one        allopregnanolone
5?-pregnane-17α-ol-3,20-dione        17-hydroxydihydroprogesterone        17-OH DHP (pdione)
5?-pregnane-3α,17α-diol-20-one        17-hydroxyallopregnanolone        17-OH allopregnanolone (pdiol)
3α-hydroxy-5α-androstan-17-one        androsterone
5α-pregnane-3,20-dione
5α-pregnane-3?-ol-20-one
5α-androstane-3,17-dione        androstanedione
5α-androstane-3α,17β-diol    androstanediol
Enzymes
Protein/gene        Enzyme        Short name
AKR1C2        3α-hydroxysteroid dehydrogenase type 3        3α-HSD-3
AKR1C4        3α-hydroxysteroid dehydrogenase type 1        3α-HSD-1
AKR1C3/HSD17B5 3α-hydroxysteroid dehydrogenase type 2/17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 5 3α-HSD-2/17β-HSD-5
RODH/HSD17B6        Retinol dehydrogenase/17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 6        RODH/17β-HSD-6
HSD17B3        17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 3        17β-HSD-3
SRD5A1        5α-reductase type 1        5α-reductase-1
SRD5A2        5α-reductase type 2        5α-reductase-2
CYP11A1        cholesterol side chain cleavage
CYP17A1        17β-hydroxylase, 17/20 lyase
CYP19A1        aromatase
CYP21A2        21-hydroxylase        21-OH
POR        cytochrome P450 oxidoreductase

FRONTDOOR PATHWAY TO DHT

Мы впервые суммируем обычный путь через парадную дверь (frontdoor) их холестерола до DHT (Fig. 2, верхняя часть). Этот путь состоит из двух больших ступеней. Первая ступень это биосинтез тестостерона, который в первую очередь синтезируется в тестисах или посредством ?5 пути посредством pregnenolone, 17-hydroxy (17-OH) pregnenolone и dehydroepiandrosterone (DHEA) или посредством ?4 пути через progesterone, 17-OH progesterone и androstenedione (Fluck et al.,2003). Этот процесс продукции тестостерона обеспечивается с помощью последовательного действия P450 и non-P450 энзимов, т.e., StAR, CYP11A1, CYP17A1, HSD3B2 и HSD17B3 (Fluck et al,2003; Miller,2005; Matsumoto and Bremner,2011). Из этих митохондриальных энзимов CYP11A1 поддерживается с помощью ferredoxin (иначе, adrenodoxin) и ferredoxin reductase (иначе, adrenodoxin reductase), а микросомальный энзим CYP17A1 с помощью цитохрома P450 oxidoreductase (POR) (Miller,2005; Miller and Auchus,2011). Путь ?4 прежде всего используется у мышей, тогда как ?5 путь преимущественно используется у человека особенно во время плодной жизни (Fluck et al.,2003). В самом деле, из 17?-hydroxylase и 17/20 lyase, кодируемых человеческим CYP17A1, 17?-hydroxylase катализирует как pregnenolone, так и progesterone с одинаковой эффективностью, тогда как 17/20 lyase обладает значительно более низкой активностью для 17-OH progesterone (?2%), чем для 17-OH pregnenolone (Lee-Robichaud et al.,1995; Auchus et al.,1998; Miller and Auchus,2011). Более того, активность 17/20 lyase для 17-OH pregnenolone и 17-OH progesterone нуждается в цитохроме b5, который обеспечивает перенос электронов совместно с POR (Lee-Robichaud et al,1995; Auchus et al,1998, Miller and Auchus,2011). Вторая ступень это превращение тестостерона в DHT. Эта ступень, прежде всего, осуществляется в тканях, мишенях для андрогенов, таких как кожа гениталий и простата, с помощью 5?-reductase-2 (SRD5A2) (Matsumoto and Bremner,2011), а также небольшие количества DHT синтезируются в тестисах (Hammond et al.,1977). Этот метаболический процесс в DHT через тестостерон называется обычным путем через "парадную дверь".

Figure 2. The frontdoor pathway (?5 and ?4 routes via testosterone) and the backdoor pathway (5? and 5?,3? routes not via testosterone) in a physiological condition. In the frontdoor pathway, DHT is primarily converted in the target tissues from testosterone produced in the fetal testis, whereas in the backdoor pathway, DHT it is primarily converted in the target tissues from androstanediol produced in the fetal testis. The 17/20 lyase activity of CYP17A1 is low for 17-OH progesterone (shown with a dashed arrow) and high for 17-OH allopregnanolone (a double lined arrow). Several reactions are reversible, and the reactions opposite to the DHT productions are indicated with short arrows (the enzymes for the opposite reactions are not shown). DHEA, dehydroepiandrosterone; DHP, dihydroprogesterone; DHT, dihydrotestosterone; Fdx-FdR, ferredoxin and ferredoxin reductase; POR, cytochrome P450 oxidoreductase; and Cyt b5, cytochrome b5.

BACKDOOR PATHWAY TO DHT

Наличие пути через заднюю дверь впервые было продемонстрировано в молодых тестисах сумчатых tammar кенгуру (Shaw et al.,2000; Wilson et al.,2003). Tammar кенгуру принадлежат к сумчатым и имеют определенные преимущества для изучения развития фенотипа самцов, поскольку развитие мужского пола происходит в течение относительно длительного периода после рождения, когда молодые tammar кенгуру легко доступны в сумке (Butler et al.,1999). Напр., развитие пениса продолжается около 100 дней. Процесс маскулинизации мочеполового тракта у tammar кенгуру первоначально зависит от действия DHT, который образуется в ткани мишени из androstanediol скорее, чем из тестостерона, происходящего из тестисов (Shaw et al.,2000; Leihy et al.,2001; Wilson et al.,2003), хотя развитие мошонки не зависит от эффектов андрогенов (Renfree et al.,1995). Т.о., в то время как уровни циркулирующего тестостерона (и DHT), как было установлено, не обнаруживают существенного полового диморфизма во время развития простаты и фаллоса (Wilson et al.,1999), это не противоречит андроген-зависимой маскулинизации у tammar кенгуру. Более того, было предположено, что androstanediol, являющийся основным источником продукции DHT в ткани мишени, может быть сформирован посредством тестостерона в молодых тестисах карманных tammar кенгуру (Wilson et al.,2003) и за счет 5?-reduced 17-OH progesterone в незрелых тестисах крыс (Echstein, 1985; Echstein et al.,1987). Т.о., детальное стероидогенное исследование, осуществленное на юных тестисах карманных tammar кенгуру, подтвердило существование двух разных путей продукции DHT: путь через парадную дверь, обеспечиваемый тестостероном, и альтернативный путь, обеспечиваемый с помощью продукции androstanediol из 17-OH progesterone, 17-OH dihydroprogesterone (17-OH DHP, или 5?-pregnane-17?-ol-3,20-dione), 17-OH allopregnanolone (5?-pregnane-3?,17?-diol-20-one, также часто описываемого как pdiol) и androsterone (Fig. 2, нижняя часть) (Wilson et al.,2003). Более того, сходные исследования на незрелых тестисах мышей также выявили два разных пути к DHT: путь через парадную дверь, обеспечиваемый тестостероном и альтернативный путь, обеспечиваемый за счет androstanediol, продуцируемого из progesterone посредством dihydroprogesterone (DHP, 5?-pregnane-3,20-dione), allopregnanolone (5?-pregnane-3?-ol-20-one), 17-OH allopregnanolone (= pdiol) и androsterone (Fig. 2, нижняя часть) (Mahendroo et al.,2004). Эти находки были подтверждены присутствием метаболического пути от холестерола к DHT, который не использует тестостерон и этот путь назван "backdoor pathway".

ENZYMES INVOLVED IN THE BACKDOOR PATHWAY

Путь через запасной вход нуждается в нескольких энзимах (Fig. 2). Во-первых, активность 5?-reductase является основной потребностью для операций backdoor пути (rev. Auchus,2004; Ghayee and Auchus,2008; Miller and Auchus,2011). В этой связи, как progesterone, так и 17-OH progesterone являются превосходными субстанциями для 5?-reductases, особенно 5?-reductase-1 (Frederiksen and Wilson,1971). SRD5A1 для 5?-reductase-1 прекрасно экспрессируется в тестисах плодов человека и менее четко во взрослых семенниках (Fluck et al.,2011), и возможно в надпочечниках плодов человека и в постоянных надпочечниках, по крайней мере, при патологических условиях (see below) (Fukami et al.,2009; Miller and Auchus,2011; Kamrath et al.,2012). Во-вторых, CYP17A1, участвующий в пути парадной двери, также необходим для пути через запасной вход. В этом отношении известно, что DHP и allopregnanolone являются прекрасными субстратами для активности 17?-hydroxylase человека CYP17A1, и что 17-OH allopregnanolone (= pdiol) является наиболее эффективным субстратом для активности 17/20 lyase из CYP17A1 (Gupta et al.,2003; Miller and Auchus,2011). Более того, хотя активность 17/20 lyase из CYP17A1 нуждается в цитохроме b5 в пути парадного входа (Auchus et al.,1998), она минимально зависит от цитохрома b5 в пути запасного входа (Gupta et al.,2003; Miller and Auchus,2011). Более важно, что CYP17A1 экспрессируется в стероидогенных тканях, которые экспрессируют SRD5A1 (Miller and Auchus,2011). Наконец, др. энзимы, такие как AKR1C2/4, HSD17B3/AKR1C3 и AKR1C2/HSD17B6 также необходимы для пути запасного входа. Reductive AKR1Cs широко экспрессируются, включая и стероидогенные ткани (Penning et al.,2000), а HSD17B3 и HSD17B6 экспрессируются в семенниках (Fluck et al.,2011). Итак, путь через запасной вход, как полагают, имеет место в стероидгенных тканях, которые экспрессируют эти энзимы при физиологических и патологических условиях.

FRONTDOOR PATHWAY VERSUS BACKDOOR PATHWAY

Относительное преобладание между этими путями обеспечивается несколькими факторами. Наиболее важный фактор, это относительная функция CYP17A1 по сравнению с SRD5A1, поскольку это будет предопределять будут ли использованы 17-OH progesterone и progesterone в пути через парадную дверь или в пути через запасной вход (Fig. 2) (Auchus,2004; Ghayee and Auchus,2008). Степень активности 17/20 lyase из CYP17A1 также должна быть важным фактором. В этом контексте, поскольку активность 17/20 lyase из CYP17A1 относительно низка в тестисах молодых в сумке tammar кенгуру (Wilson et al.,2003; Auchus,2004), это д. приводить к накоплению 17-OH progesterone в пути через парадный вход и соотв. активировать приток к пути запасного входа. С др. стороны, поскольку активность 17/20 lyase из CYP17A1 в тестисах незрелых мышей выше для 17-OH progesterone, чем для 17-OH allopregnanolone (= pdiol) (Auchus,2004), то это д. позволять приток 17-OH progesterone в путь парадного входа. Эти характеристики CYP17A1 у разных видов вместе с относительной активностью между SRD5A1 и CYP17A1, д. объяснить, почему путь заднего входа функционирует как главный путь для биосинтеза DHT в тестисах молодых в сумках tammar кенгуру и составляет лишь относительно небольшую часть источника DHT в незрелых тестисах самцов (Auchus,2004). В самом деле, поскольку активность 17?-hydroxylase из CYP17A1 остается низкой, а 5?-reductase-1 обильна в незрелых тестисах мышей (Mahendroo et al.,2004), то это может управлять операцией пути заднего входа, начинающегося с progesterone (rev. Auchus,2004). Более того, статус секреции gonadotropin также может стать дополнительным фактором. Eckstein et al. (1987) установили, что минимальная доза человеческого хорионального гонадотропина стимулирует продукцию тестостерона посредством пути заднего входа и ингибирует биосинтез androstanediol посредством пути заднего входа в тестикулярных микросомах незрелых крыс.

BACKDOOR PATHWAY IN HUMAN MALE SEX DEVELOPMENT

Путь заднего входа у человека недавно был продемонстрирован как обязательны источник андрогенов для развития мужского пола. Он первоначально был выявлен благодаря идентификации мутаций в генах пути заднего входа у двух женщин с 46,XY disorders of sex development (DSD), сопровождавшимся недостаточной маскулинизацией наружных гениталий из-за нарушений биосинтеза андрогена (Fluck et al.,2011). В семье 1, DSD было наследуемым ограниченным мужчинами аутосомно рецессивным способом и анализ сцепления показал ассоциацию между этим фенотипом и геномным регионом, содержащим AKR1C1-4. Мутационный анализ показал три missense мутации в AKR1C2, кодирующем 3?-HSD-3 (p.Asn300Thr, p.Ile79Val и p.His90Gln), в комбинации со сплайс-мутацией (r.85_252del) в AKR1C4, кодирующем 3?-HSD-1. В семье 2, компаундные гетерозиготные мутации, состоящие из missense мутации в AKR1C2 (p.His222Gln) и слитого гена AKR1C1-AKR1C2, нарушающего AKR1C1 и AKR1C2, были идентифицированы у генетического мужчины с DSD.

AKR1C2 функционирует как ketosteroid reductase и hydroxysteroid oxidase и обеспечивает критические ступени пути задней двери (Fig. 2) (Fluck et al.,2011). В самом деле, исследования in vitro показали, что AKR1C2 может эффективно превращать androstanediol в DHT (Penning et al.,2000), а функциональные исследования продемонстрировали достоверное нарушение каталитической активности 4-х AKR1C2 мутантных белков, идентифицированных в двух семьях (p.Asn300Thr, p.Ile79Val, p.His90Gln, and p.His222Gln) (Fluck et al.,2011). Эти данные подтверждают, что ферментативная активность AKR1C2 является критической для развития мужского пола во время плодного периода и что гипоморфные мутации AKR1C2 ведут к 46,XY DSD, поскольку поставляются пониженные количества андрогенов путем заднего входа. Кроме того, AKR1C4 и AKR1C3 также д. играть определенную роль в развитии мужского пола, поскольку AKR1C4 также может превращать DHP в allopregnanolone, а 17-OH DHP в 17-OH allopregnanolone (= pdiol), а AKR1C3 участвует в превращении androsterone в androstanediol (Fig. 2) (Penning et al.,2000; Penning,2010; Fluck et al.,2011).

Путь заднего входа, по-видимому, оперирует, прежде всего, в тестисах плода при физиологических условиях. Как указывалось выше, тестисы плодов человека содержат достаточные количества SRD5A1 и в разной степени остальные энзимы, необходимые для пути заднего входа, такие как AKR1Cs, CYP17A1, HSD17B3 и HSD17B6 (Fluck et al.,2011), хотя превращение androstanediol в DHT преимущественно происходит в периферических тканях (Shaw et al.,2000). Т.о., скорее всего, тестисы плодов продуцируют предшественники DHT из обоих путей и что пониженная продукция андрогенов у генетических самцов может быть вызывана (1) нарушением активности энзимов, общих обоим путам, таких как StAR, CYP11A1, HSD3B, CYP17A1 и HSD17B3, (2) дефектами активности энзимов, специфичных для пути парадного входа, таких как SRD5A2 (если 5?-reduction 17-OH progesterone произведена в достаточной степени с помощью SRD5A1); и (3) нарушения активности энзимов, специфичных для пути заднего входа, таких как AKR1C2 (Fig. 2). Более того, необходимо отметить, что нарушение активности пути заднего входа не затрагивает продукции estradiol у затронутых женщин, тогда как нарушения пути парадного входа нарушают продукцию эстрадиола у затронутых женщин, т.к. снижают продукцию тестостерона. Это объясняет, почему женщины с мутациями в семье 1 имеют нормальный фенотип и плодовитость.

BACKDOOR PATHWAY IN POR DEFICIENCY

Действие пути backdoor демонстрируются при анализе стероидного профиля мочи при POR deficiency (PORD). PORD это редкое аутосомно рецессивное нарушение, вызываемое мутациями в гене POR, кодирующем донора электронов для всех микросомальных энзимов, включая CYP17A1, CYP21A2 и CYP19A1 (rev. Miller,2004; Scott and Miller,2008). PORD характеризуется различными клиническими проявлениями, включая скелетные аномалии и стероидогенную дисфункцию надпочечников с повышением 17-OH progesterone как у 46,XX, так и 46,XY пациентов, недостаточная маскулинизация во время плодного и пубертального периодов у 46,XY пациентов, и вирилизация во время плодной жизни и бедное пубертальное развитие без усиления вирилизации у 46,XX пациентов (Fig. 3), вмеcте с материнской вирилизацией во время беременности (Miller,2004).

Figure 3. Steroidogenic pathways in the adrenals and in the placenta. Several reactions are reversible, and the reactions opposite to the DHT productions are indicated with short arrows (the enzymes for the opposite reactions are not shown). In a pathologic condition accompanied by an accumulation of 17-OH progesterone, the backdoor pathway is driven and produces DHT presumably because of the interaction between the fetal and the permanent adrenals. In contrast to the metabolic pathway in the fetal testis (Fig. 2), the conversions mediated by HSD17B3, and probably by HSD17B6 as well, are unlikely to occur in the permanent adrenals, because of lack of such enzymes. However, because AKR1C3 (HSD17B5) is present in the fetal adrenal, this would permit a certain because of conversion of androstenedione to testosterone primarily during the fetal life because of the interaction between the fetal and the permanent adrenals. The backdoor pathway beginning with progesterone is unlikely to be operating in such a pathologic condition with an accumulation of 17-OH progesterone rather than progesterone. While 5?-reduction appears to be primarily carried out by SRD5A1, the relevance of SRD5A2 remains tenable in the adrenal. For the placental steroidogenesis, the metabolic pathway from DHEA to estradiol or estrone mediated by POR is shown. DHEA is converted into DHEA-sulfate (DHEAS) by sulfotransferase in the fetus (and the mother), and transferred into the placenta where it is catalyzed into DHEA by sulfatase. Metabolic pathway from 16?-OH DHEAS of fetal origin to estriol is not shown. DHT, dihydrotestosterone; DHEA, dehydroepiandrosterone; POR, cytochrome P450 oxidoreductase; PORD, POR deficiency.

Из этих клинических находок вирилизация (появление мужских признаков) у пациенток женщин было первоначально отнесено к последствиям дефекта плацентарной CYP19A1 (aromatase) активности, ведущей к накоплению тестостерона и androstenedione, которые д. были поступать в кровоток плода, а также в кровоток матери (Fig. 3) (Arlt et al.,2004; Fluck et al.,2004). Однако стало очевидным, что 46,XX DSD при PORD необъяснимо нарушениями активности только плацентарного CYP19A1. Во-первых, хотя только генетические девочки с почти полным отсутствием ферментативной активности обнаруживают вирилизацию при врожденном дефиците CYP19A1 (Grumbach and Auchus,1999), пациентки генетические женщины с остаточной активностью POR обнаруживают признаки вирилизации при PORD. В самом деле, анализ генотип-фенотип у 35 японских пациентов показал, что тяжелая вирилизация почти всегда присутствует у пациенток женщин с двумя гипоморфными мутациями основательницами (p.R457H), а также у женщин с компаундными гетерозиготными мутациями с p.R457H и возможно с нулевыми мутациями (Fukami et al.,2009), хотя p.R457H сохраняет около 1% поддерживающей активности для CYP19A1 (Pandey et al.,2007) (Fig. 4). Более того, хотя мутация p.A287P, которая частая у пациентов белых с PORD (Miller,2004; Scott and Miller,2008), обеспечивает в основном нормальную поддерживающую активность для CYP19A1 (Pandey et al.,2007), описывается вирилизация у некоторых женщин с этой мутацией (Huang et al.,2005). Во-вторых, добавление DHEA, предшественника androstenedione и тестостерона, от плода к плаценте д. снижать PORD, из-за нарушения активности CYP17A1 (Fig. 3). В-третьих, в моче 16?-OH androsterone, характерный для дефицита CYP19A1, не повышается у матерей, несущих PORD плод (Shackleton et al.,2004). Эти данные подтверждают присутствие др. механизма вирилизации у пациенток женщин с PORD. Поскольку усиления вирилизации не наблюдается у пациенток генетических женщин с PORD после родов (Fukami et al.,2005), то такой механизм, по-видимому, действует преимущественно во время жизни плода.

Figure 4. External genitalia in patients with PORD caused by homozygosity for the p.R457H mutation. Shown are severely virilized external genitalia in a 46,XX individual and mildly undermasculinized external genitalia with micropenis in a 46,XY individual. PORD, cytochrome P450 oxidoreductase deficiency.

Т.о., участие backdoor было постулировано при PORD, поскольку путь заднего входа управляет накоплением 17-OH progesterone. В этой связи анализ профиля стероидов в моче при PORD выявляет характерные находки, общие пациентам как генетическим мужчинам, так и женщинам (Fig. 5) (Fukami et al., 2006; Homma et al.,2006). Сюда входит постоянно пониженные DHEA метаболиты в соответствии с нарушениями активности CYP17A1 и постоянно повышенные 17-OH progesterone метаболиты (pregnanetriolone и 17-OH allopregnanolone) , соответствующие дефектам активности CYP17A1 и CYP21A2 и возникающему в результате подъему сывороточного 17-OH progesterone. Наиболее важно то, что в то время как в моче etiocholanolone, происходящий из androstenedione в пути парадного входа, остается в основном нормальным от детского до взрослого периода возможно из-за сосуществования низких DHEA и высоких 17-OH progesterone значений, в моче androsterone, происходящий как из androstenedione в пути парадного входа, так и из 17-OH allopregnanolone (= pdiol) в пути заднего входа, возрастает в раннем детстве и остается в основном нормальным после этого (Fig. 6). Эти находки подтверждают временную поставку androsterone из пути заднего входа в раннем детстве. Более того, поскольку 17-OH allopregnanolone (= pdiol) обнаруживает значительно более высокое сродство к CYP17A1 человека, чем к 17-OH progesterone (Gupta et al.,2003), вполне возможно, что путь запасного входа функционирует лучше, чем путь парадного входа при PORD с повышенным 17-OH progesterone. В соответствии с этим, Shackleton et al. (2004) предприняли анализ последовательного стероидного профиля мочи у беременных женщин с плодами PORD, и выявили непропорциональные увеличения 17-OH allopregnanolone (= pdiol) и androsterone. Т.о., скорее всего, DHT, происходящий из backdoor пути, д. вносить вклад в вирилизацию пациенток генетических женщин с PORD, хотя повышенный уровень DHT у них самих не подтвержден.

Figure 5. Simplified schematic representation indicating urine steroid metabolites analyzed by gas chromatography/mass spectrometry (indicated with double line squares). The cross (?) symbols represent metabolic processes compromised in PORD. Although the activities of gonadal and placental POR-dependent enzymes are also compromised in PORD, urine steroid metabolite data primarily reflect the steroid metabolites of adrenal origin. POR, cytochrome P450 oxidoreductase; PORD, POR deficiency.

Figure 6. Representative urine steroid profile data in PORD patients with an accumulation of 17-OH progesterone (see Fig. 5). The light blue circles and the pink circles show the data obtained from control subjects. The triangles indicate the data obtained from patients with homozygosity for the p.R457H mutation, and the circles represent those obtained from patients with compound heterozygosity for the p.R457H mutation and one apparently null mutation. Note that all the data are expressed using a logarithm scale. PORD, cytochrome P450 oxidoreductase deficiency.

Основной проблемой является органный/тканевой путь заднего входа при PORD. Хотя органы/ткани ясны, одним из возможных кандидатов д. быть плодный и/или постоянный надпочечник (Fig. 3). В самом деле, надпочечник, по-видимому, содержит 5?-reductases (Miller and Auchus,2011), а 17-OH progesterone является прекрасным субстратом для 5?-reductase, но не для 17/20 lyase (Auchus et al.,1998). Т.о., накапливаемый 17-OH progesterone д. преимущественно превращаться в 17-OH allopregnanolone (= pdiol), являющийся наиболее эффективным субстратом для 17/20 lyase (Miller and Auchus,2011). Более того, поскольку надпочечник плода одинаков у самцов и самок и исчезает вскоре после рождения (Grumbach and Gluckman,1994; Dattani et al.,2011), то это согласуется с временной активацией пути заднего входа при PORD у пациентов обоих полов. Можно предположить, что только надпочечник плода неспособен продуцировать достаточные количества 17-OH progesterone, чтобы управлять backdoor путем, поскольку активность HSD3B2 низкая в надпочечниках плода (Dattani et al.,2011). Более того, Fluck et al. (2011) показали, что экспрессия AKR1C2 остается низкой в надпочечниках плода. Однако надпочечники плода богаты CYP17A1 (особенно активностью 17/20 lyase ) и AKR1C4, и надпочечники плода и/или постоянные надпочечники обладают энзимами, участвующими в backdoor пути, включая AKR1Cs (Fig. 3) (Voutilainen and Miller,1986; Fluck et al.,2011). Итак, взаимодействие между плодными и постоянными надпочечниками могут играть первичную роль в операциях пути запасного входа при PORD. Кроме того, др. ткани/органы, такие как печень, также могут иметь отношение к запасному пути, поскольку SRD5A1 и AKR1Cs экспрессируются в печени (Penning et al.,2000; Penning,2010).

В противоположность тяжелому DSD фенотипу у 46,XX пациентов с PORD, фенотип DSD остается довольно умеренным у 46,XY пациентов с PORD (Fig. 4) (Fukami et al.,2009). Это может быть объяснено тремя факторами. Во-первых, поскольку нарушена активность CYP17A1, то как продукция тестостерона на пути парадного входа, так и продукция androstanediol запасного пути д. быть нарушены в тестисах плодов (Fig. 2). Это д. приводить к снижению продукции DHT в ткани мишени. Во-вторых, поскольку пациентки 46,XX с PORD, то DHT д. продуцироваться на пути заднего входа во время от плодного до раннего детского периода благодаря взаимодействию между плодными и постоянными надпочечниками (Fig. 3). В-третьих, дефектная активность CYP19A1 д. более или менее накапливать тестостерон и androstenedione в плаценте (Grumbach and Auchus,1999), который д. переноситься в кровообращение плода, а также матери. Т.о., эффекты нарушения продукции андрогенов в тестисах плода д. в занчительной степени компенсироваться за счет продукции избыточных андрогенов в плодных и постоянных надпочечниках и в плаценте.

BACKDOOR PATHWAY IN 21-HYDROXYLASE DEFICIENCY (21-OHD)

Запасной путь участвует также в вирилизации генетически женщин пациенток с 21-OHD, ассоциированной с высоким 17-OH progesterone, который д. управляться с помощью пути заднего входа в плодных и постоянных надпочечниках (Fig. 3). Это состояние является аутосомно рецессивным нарушением, вызываемым мутациями потери функции в CYP21A2, и представляет наиболее распространенную форму врожденной гиперплазии надпочечников (Conte and Grumbach,2011; Stewart and Krone,2011).

Kamrath et al. (2012) исследовали метаболиты стероидов в моче у нелеченных пациентов с 21-OHD и установили достоверно увеличенные уровни 17-OH allopregnanolone (= pdiol) и соотношения androsterone к etiocholanolone. Отметим, хотя повышение 17-OH allopregnanolone (= pdiol) сохранялось и спустя 1 год, то соотношение androsterone к etiocholanolone становилось более высоким в неонатальный период и оказывалось менее заметным спустя год после рождения, как наблюдалось при PORD. Эти результаты согласуются с те, что запасной путь активирован у пациентов с 21-OHD, преимущественно у детей. Т.о., взаимодействие между плодными и постоянными надпочечниками может играть первичную роль в операции пути заднего входа при 21-OHD, а также при PORD. Однако при PORD, ещё предстоит определить, продуцируется ли в действительности DHT с помощью запасного пути как при 21-OHD.

При 21-OHD, androstenedione, продуцируемый с помощью пути парадного входа, также заметно увеличен (Lin-Su et al.,2008). В этом контексте, поскольку AKR1C3 (HSD17B5) присутствует в плодных надпочечниках (Goto et al.,2006), это может позволить определенную степень превращения androstenedione в тестостерон преимущественно во время плодной жизни, благодаря взаимодействию между постоянными надпочечниками (превращение DHEA в androstenedione) и плодными надпочечниками (превращение androstenedione в тестостерон). Более того, новый биосинтетический путь из androstenedione в DHT был предположен для простаты самцов, лишенных гонад; у таких самцов уровни DHT в простате снижались только ~50%, тогда как уровни тестостерона в крови снижались на 90-95% (rev. Luu-The et al.,2008). Поэтому было предположено, что DHT может продуцироваться из androstenedione или посредством 5?-androstanedione (т.e., androstenedione > 5?-androstanedione > DHT) или посредством 5?-androstanedione, androsterone, and androstanediol (т.e., androstenedione > 5?-androstanedione > androsterone > androstanediol > DHT) в простате человека (Luu-The et al.,2008). В самом деле, SRD5A1/2 и AKR1C2, преимущественно используемые этим путем, четко экспрессируются в простате человека (Luu-The et al.,2008). Аналогично, DHT может быть также продуцироваться при 21-OHD из androstenedione посредством такого аберрантного пути. Кроме того, поскольку HSD17B3, важный для превращения androstenedione в тестостерон с помощью основного пути, почти исключительно экспрессируется в семенниках (Geissler et al.,1994), по-разному увеличенные значения тестостерона в крови обычно наблюдаются у пациентов с 21-OHD (Stewart and Krone,2011). Т.о., определенная степень тестостерона может продуцироваться посредством пока неизвестного пути при 21-OHD.

46,XX DSD IN PORD AND 21-OHD

Болезни PORD и 21-OHD связаны с варьирующей, но определенной вирилизацией пациенток генетически женщин. В этой связи уровни 17-OH progesterone в крови обычно выше при 21-OHD, чем при PORD (Fukami et al., 2006,2009; Conte and Grumbach,2011; Stewart and Krone,2011), а активность 17/20 lyase из CYP17A1, из-за её физиологически низкой активности для 17-OH progesterone, сохраняется нормальной при 21-OHD и нарушена при PORD (Miller,2004; Stewart and Krone,2011). Т.о., оба пути будут более активными при 21-OHD, чем при PORD. Напротив, PORD, но не 21-OHD, сопровождается избыточной продукцией тестостерона в плаценте (и возможно в др. тканях, таких как печень) (Scott and Miller, 2008). Поскольку тестостерон плаценты передается в кровообращение матери, то часто вызывает вирилизацию матери во время беременности (Achermann and Hughes,2011), такой перенос тестостерона в кровообращение плода также будет вносить вклад в вирилизацию плодов женского пола. Эти находки должны объяснить, почему и PORD и 21-OHD связаны с очевидной вирилизацией.

PERSPECTIVES AND CONCLUSIONS

Recent studies indicate that the backdoor pathway to DHT that bypasses testosterone production is operating in the human as well as in other mammals. The backdoor pathway appears to be involved in normal masculinization in a physiological condition and in abnormal virilization in pathological conditions.

However, several matters remain to be clarified in the human backdoor pathway. First, although the data currently available argue for the backdoor pathway starting with 5?-reduction of 17-OH progesterone, it is unknown whether the backdoor pathway beginning with 5?-reduction of progesterone is present (Fig. 2). Second, although a small amount of DHT would be produced from the backdoor pathway in normal female subjects because of an interaction between the fetal and the permanent adrenals, the physiological significance of DHT derived from the extra-gonadal backdoor pathway remains to be elucidated. Third, although the backdoor pathway may also be involved in the virilization of other pathologic conditions such as polycystic ovary syndrome, no studies have been performed in such conditions. Further studies will permit a better clarification of the biological role of the human backdoor pathway.

Backdoor pathway for dihydrotestosterone biosynthesis: Implications for normal and abnormal human sex development Maki Fukami, Keiko Homma, Tomonobu Hasegawa, Tsutomu Ogata Developmental Dynamics Volume 242, Issue 4, pages 320–329, April 2013

Backdoor pathway for dihydrotestosterone biosynthesis: Implications for normal and abnormal human sex development
Maki Fukami, Keiko Homma, Tomonobu Hasegawa, Tsutomu Ogata
Developmental Dynamics Volume 242, Issue 4, pages 320–329, April 2013