人类双端畸形合并尿道下裂的罕见病例

摘要

双头畸形或阴茎复制是一种罕见的先天性变异，估计每500万至600万活产婴儿中就有1例发生。重复的程度差别很大，通常发生在其他畸形，包括泌尿生殖系统、胃肠道和肌肉骨骼异常。在这里，我们提出了一个病例，人类双头畸形被发现在例行解剖一具84岁的尸体。经过彻底的检查，本病例的特征是阴茎二裂并伴有尿道下裂，未发现其他解剖异常。为了深入了解这个病例的病因，我们使用下一代测序(NGS)技术分析了从身体获取的假定遗传变异的DNA。我们的结果支持临床观察，与人类双头畸形是一种多基因综合征一致，并确定了新的遗传变异，可能是其病因。

1.介绍

阴茎重复畸形是一种罕见的疾病，估计每500万至600万活产婴儿中就有1人患有这种疾病。第一例双头菌病例是在1609年被描述的，从那时起，全世界只报告了大约100例新增病例。在这种情况下最引人注目的观察是，每个双端畸形病例都是独特的，其特征是不同程度的重复，通常与多种异常有关，包括膀胱、尿道和结肠的重复，膀胱或泄殖腔外翻，肛门直肠畸形，脊椎畸形[1］．根据每个阳具中存在一个或两个海螺体，将双阳具分别定义为双裂阳具和真双阳具。阴茎双歧只占已报告双阴茎病例的三分之一[1,2]这就解释了能够深入了解其病因的数据的匮乏。从胚胎学上讲，双阴茎畸形与连接生殖器结节和尿道皱襞的缺陷有关，似乎发生在妊娠第23天和第25天之间。在此期间，包括创伤、药物和感染在内的强大环境因素可能会影响中胚层的胎儿尾侧肿块[3.]，提示在双头虫发育过程中涉及表观遗传机制。至于双头菌的遗传成分，据我们所知，各自的数据仅限于一个案例，其中染色体平衡相互易位46,XY，t (14) (p36.3;q24.3)已报道并涉及双头菌形成中的同源盒基因缺陷[4］．鉴于信息的缺乏，这可能有助于阐明人类双头菌的病因，我们决定通过执行各自的遗传筛选来解决这一缺陷，在使用最先进的NGS技术从存档的尸体组织中提取的DNA编码(外显子组)区域，我们探索了单核苷酸变异。对于固定的尸体组织，后一种方法的可行性最近已经确定[5］．

2.病例介绍:解剖特征

该遗体由美国圣路易斯大学解剖科学与教育中心(CASE)的捐赠遗体项目捐赠，捐赠者知情同意。记录显示这个人的死因是胃癌常规解剖时，观察到阴茎裂。乍一看，阴茎与西班牙阴茎相似，但外腹壁没有缺损或修复。阴毛稀疏而细。阴茎长9.2厘米。长，纵向分为左右两部分(图1）.每个部分都有自己的龟头和包皮。阴茎里没有尿道。相反，尿道位于分裂的阴茎的底部(图)2)，提示近端阴茎阴囊下裂[6,7］．尿道继续延伸到正常发育的膀胱。膀胱上皮内层延伸至3.9厘米。在每个阴茎的腹部表面，组织学上类似于分层的鳞状上皮。阴囊很大，有多余的皮肤，包含左右睾丸，从睾丸延伸出一条正常的精索。右侧睾丸长3.0 cm，宽2.3 cm;左侧睾丸长1.4 cm，宽0.8 cm。两侧精索厚度为1.2 cm，从每个睾丸延伸至腹股沟内外环，并正常走行至发育良好的精囊。精囊打开进入尿道。精索的厚度和大小正常，包含了所有的覆盖层，但没有附睾。输精管直接从每个睾丸延伸到同一侧的精囊。 A small mass, measuring 0.5 cm by 0.5 cm, of hard tissue was found only on the left side and was located at the site of the prostate gland but histologically it did not resemble prostatic glandular tissue. It did not have any connection with the vas deferens or seminal vesicle. Dissection of the phallus revealed a corpus cavernosum and corpus spongiosum in each half of the penis and the corpora spongiosa were well developed as in females (Figure3.).未观察到其他异常。

总而言之，上述人体尸体的解剖检查将各自的病例描述为一个完整的阴茎二裂，人类双阴茎的一个子集，并伴有近端阴茎阴囊下尿道。在这种情况下，通常与双头畸形(见上文)相关的额外畸形的缺乏使其成为正确评估其病因的完美模型。

3.病例介绍:基因分析

由于人类双头畸形是一种极其罕见的解剖变异，400多年来只有约100例报告，我们决定利用这一独特的机会，筛选与双头菌相关的遗传变异，以获得对其形成的可能原因的重要见解(参见补充材料的实验细节)。对各自测序数据的高级生物信息学分析确定了476个错义、无意义或剪接变体，这些变体被注释并分为以下14个类别:发育、形态发生和组织再生(表S1.1)；细胞分化、组织、分裂、增殖、生长、迁移、死亡(表S1.2)；信号转导(表S1.3)；激素与激素调节(表S1.4)；基因转录与DNA修复(表S1.5)；RNA运输、加工和降解(表S1.6)；蛋白表达，修饰，转运，降解(表S1.7)；膜蛋白，受体，转运体和离子通道(表S1.8)；免疫和炎症(表S1.9)；神经元分化、迁移和神经传递(表S1.10)；癌变和肿瘤抑制(表S1.11)；环境压力(表S1.12)；杂基因(表S1.13),无特征或特征差的基因(表S1.14）.具有多种生物学功能的基因被分别归入各个类别。表S1.1-S1.14可在补充材料中找到。最相关和最重要的遗传变异列于表中1并在下面讨论。

4.讨论

本案的独特性和重要性有好几倍。第一它的特征是阴茎完全裂，占所有报告病例的三分之一，极其罕见的阴茎裂[1,2］．第二个，除尿道下裂外，无其他常与双端畸形相关的异常，如膀胱、尿道和结肠重复、膀胱或泄殖腔外腔、肛门直肠畸形和椎体畸形[1观察。第三考虑到在当前的报告中检查的个体的年龄(84岁)，以及观察到在他的一生中没有其他重大的解剖异常，我们可以得出这样的结论:目前人类双端畸形伴尿道下裂的病例代表了一种局限于特定解剖区域的发育过程障碍。后者提供了一个独特的机会来了解各自的分子机制，从而正确评估人类男性外生殖器复制和尿道下裂的病因。

控制男性外生殖器(包括阴茎、尿道和阴囊)发育的分子机制是什么?在小鼠中，Sonic hedgehog (Shh)信号通路已被确认为生殖结节形态分化启动及其生长过程中的关键调控因子，特别是在尿道形成过程中[8,9]在这方面，尿道上皮发出Shh信号后生殖器结节的分化导致骨形态发生蛋白4（Bmp4）、同源框蛋白a13（Hoxa13）、Hoxd13和Shh受体Patc基因表达上调。Bmp4和Hoxa13/Hoxd13的诱导在Bmp4控制的凋亡和Hoxa13/Hoxd13通过表达成纤维细胞生长因子8（Fgf8）和无翼型MMTV（小鼠乳腺肿瘤病毒）整合位点蛋白5a（Wnt5a）间接调节的增殖之间提供了微妙的平衡。这种平衡对于生殖器结节的正确分化是必需的，它的失调导致尿道下裂，尿道在阴茎的下面而不是顶端开口。在阴茎发育的后期，即生殖器结节的延长期，凋亡和增殖之间的时空平衡由Bmp7（凋亡）、Fgf8、Fgf10（增殖，由Shh诱导）和Wnt5a（增殖）维持[9］．因此，小鼠雄性外生殖器的形成是一个受到时空调控的发育过程。

我们的结果支持临床观察，指出人类双头畸形是多基因综合征，并为其病因提供几个重要的见解。第一，各自的基因筛选发现了与人类外生殖器发育密切相关的七个基因的突变:BMP4,CFAP53,DNAH5,IFT172、KMT2C、SOX6和TBX6(表1）．的确CFAP53(也称为CCDC11），DNAH5,IFT172, TBX6参与纤毛的形成和维持，包括初生纤毛[10- - - - - -13]，作为Shh共享的平台[14]、FGF受体(FGFR) [15]和Wnt信号通路[16,17]因此，在我们的病例中，原发性纤毛形成和/或功能的时空失调可能导致异常的SHH-、FGF8/10-和WNT依赖性细胞增殖信号，以及BMP4，可能会对其促凋亡功能产生负面影响，破坏细胞增殖与凋亡之间的动态平衡[9，从而使人类男性外生殖器的发育过程向双阴茎和尿道下裂倾斜。因为Shh和Bmp4信号之间的平衡被认为是来自泌尿生殖窦间充质的前列腺发育的关键因素[9,18]，在目前的双肢病例中，前列腺缺失(见上文)为这种平衡可能被破坏的观点提供了强有力的支持。

然而，细胞增殖和凋亡之间的动态平衡的主要或额外的破坏也可能来自于细胞内的突变RYR2(BMP信号),TTC21B（睫状体运输，SHH信号），以及已知调节WNT信号通路的基因，如ADGRA2，APC, CCAR2(表1）.Adgra2蛋白作为Wnt7的受体，Wnt7是生殖器结节发育过程中表皮分化假定的阑尾网络的成员[19]然而，动态平衡的凋亡臂也可能受到基因突变的影响CDK15,Cyfip2, dapk1, dram1, madd, nfkb1, pak2, tnfaip8l2, tp53bp2，和WWC1(表1）.

第二的突变KMT2C(表1)可能表明表观遗传调节机制参与了上述过程，并支持早期的假设，即环境因素对胎儿中胚层尾团块的有害影响导致双胎发育[3.］．这一观点可能进一步得到POLR1B(表1)，通过表观遗传机制正向调控基因转录[20]及HSP90AB1(表1)，它调节几种表观遗传调节剂的活动[21］．很容易推测，表观遗传机制也可能在初级(感觉/信号)纤毛功能的调节中发挥重要作用，而这种机制在时空方式上的破坏可能会影响男性外生殖器的发育，从而导致双头畸形和尿道下裂。

第三因为在产前和产后，外生殖器的发育也受到类固醇激素的影响[9,22- - - - - -24，检测到三种雄激素受体(AR)共激活因子的突变，NCOA6（AIB3 / ASC-2)[25]，TMF1［25),而UBE3A（E6-AP)[26]（表1)，可能指向这些基因在人类男性性发育的激素调节中扮演的新角色。

第四在本病例中，近端阴茎阴囊尿道下裂合并双头畸形可能主要是由BMP4突变(表1)虽然是来自CYP1A1突变(表S1.13)不应被忽视[27］．

最后，本病例具有很高的教育价值，因为它不仅描述了一种独特的男科综合征，而且为其病因提供了重要的见解。

数据可用性

本研究中使用和/或分析的数据集和材料见主要文件和附加文件。

信息披露

这些数据部分发表在年度实验生物学会议(FASEB J.(2017)， 31:增刊。1、抽象896.12)。

的利益冲突

没有宣布利益冲突。

作者的贡献

Andrey Frolov设计了这项研究，协调了遗传学数据收集和生物信息学分析，分析了数据，并撰写了手稿。Mohammed Waheed-Uz-Zaman Rana(已故)发起了这个项目，收集了解剖学数据，并为这项研究做出了重要的智力贡献。Yun Tan收集解剖资料。约翰·r·马丁三世监督、撰写并修改了手稿。Andrey Frolov、Yun Tan和John R. Martin III审阅并批准了最终稿。

致谢

作者非常感谢Paul Cliften博士(圣路易斯华盛顿大学基因组技术访问中心)在生物信息学分析方面提供的专家帮助。他们还感谢博士。Dale Dorsett和Kathie Mihindukulasuriya (SLU医学院Edward A. Doisy生物化学和分子生物学系遗传学核心)，以表彰他们在项目初始阶段为生物信息学分析提供的专家协助。已故的穆罕默德·拉纳博士将永远被他的同事和学生铭记。本研究得到了SLU医学院解剖科学与教育中心的支持。

补充材料

伴随本文的补充材料是图S1和表S1。（补充材料）

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