Genetic and Molecular Aspects of Hypospadias

Abstract

Hypospadias, a midline fusion defect of the male ventral urethra, is a relatively common genital anomaly occurring in 0.3 - 7 of 1000 live male births. The anatomical location of the misplaced urethral meatus determines the severity of this anomaly with the severity increasing from distal to proximal. Glandular and penile hypospadias, the most common forms, often appear as an isolated anomaly and account for the majority of hypospadias, whereas about 20 % are classified as scrotal and perineal types. These latter forms frequently occur in association with other genital anomalies such as microphallus, bifid scrotum, penoscrotal transposition, and cryptorchidism, and may represent an intersex phenotype.

Besides a higher incidence in consanguineous families and a suggested recessive inheritance, in other families a dominant transmission is likely. The recurrence risk in the next generation seems to be correlated with the severity of hypospadias. Only 30 % of severe hypospadias can be attributed to defects in the synthesis of testosterone or adrenal steroid hormones, receptor defects, syndrome-associated hypospadias, chromosomal anomalies, defects in other genetic factors, or exogenous forms.

To identify the underlying causes of the remaining 70 % “idiopathic” hypospadias, familial and twin studies were performed. Familial studies can help identify gene loci and, subsequently, candidate genes by mutational analysis. Either linkage analysis in large families with many affected individuals suspicious for a monogenic trait or association studies in cases of a complex inheritance in many families with a few affected individuals can be performed. Microarrays and proteomics can help detect gene expression or protein differences. Furthermore, genetically modified animal models can be used to detect phylogenetically homologous genes in man. In addition to an optimal documentation and acquisition of blood and tissue samples this requires a close cooperation between clinicians in the operative and non-operative specialities as well as geneticists.

Résumé

L'hypospadias, un défect dans la fusion sur la ligne médiane de l'urètre, est une anomalie génitale relativement banale survenant entre 0.3 et 7 sur 1000 garçons vivants. La localisation du méat uréthral détermine la sévérité de cette anomalie et cette sévérité s'accroît de l'extrémité distale vers l'extrémité proximale de la verge. L'hypospadias glandulaire et pénien est la forme la plus habituelle, est souvent une anomalie isolée et représente la majorité des hypospadias alors qu'environ 20 % sont classifiés comme des types scrotaux ou péniens. Ces dernières formes surviennent fréquemment en association avec d'autres anomalies génitales telles que micro-phallus, scrotum bifide, transposition péno-scrotale et cryptorchidisme et peuvent représenter l'un des phénotypes de l'intersexe.

Elles surviennent avec une plus haute incidence dans des familles consanguines et une transmission récessive est suggérée. Dans les autres familles, une transmission dominante est la règle. Le risque de récidive dans la génération suivante semble corrélé avec la sévérité de l'hypospadias. Seulement 30 % des hypospadias sévères peuvent être attribués à des défauts dans la synthèse de la testostérone ou des hormones thyroïdiennes, à des anomalies des récepteurs, à des syndromes associés à l'hypospadias, à des anomalies chromosomiques, à d'autres facteurs génétiques ou des formes exogènes. Pour identifier les causes sous-jacentes des 70 % restant d'hypospadias idiopathiques, des études familiales et chez les jumeaux ont été réalisées. Les études familiales peuvent aider à identifier les loci des gènes et par conséquent les gènes candidats par une analyse des mutations. Une analyse des liens dans de grandes familles avec beaucoup de sujets affectés et suspectes d'un trait monogénique ou les études dans les cas complexes de transmission dans beaucoup de familles avec peu d'individus affectés peuvent être réalisées. Les micro-arrays et les protéomiques peuvent aider à détecter l'expression d'un gène ou une différence de protéine. De plus, des modèles d'animaux génétiquement modifiés peuvent être utilisés pour détecter les gènes homologues chez l'homme. De plus, une documentation optimale, la conservation de sang et de biopsies nécessitent une coopération très étroite entre les cliniciens et spécialistes qui n'opérent pas, tels que les généticiens.

Resumen

El hipospadias, un defecto de fusión media de la uretra ventral en el varón, es una anomalía genital relativamente común que aparece en el 0.3 - 7 por mil recién nacidos vivos. Con respecto a la localización anatómica del orificio uretral ectópico la gravedad aumenta de distal a proximal. La mayoría de los enfermos tienen hipospadias glanulares o peneanos que aparecen en general como anomalías aisladas mientras que sólo el 20 % pueden clasificarse como formas perineales o escrotales que se asocian frecuentemente con otras anomalías genitales como micropene, escroto bífido, transposición penoescrotal y criptorquidia y pueden representar un fenotipo intersexual.

Además de la alta incidencia en familias consanguíneas y una herencia recesiva probable hay familias en las que es posible una transmisión dominante. El riesgo de recidiva en la siguiente generación parece estar correlacionado con la gravedad. Solo el 30 % de los hipospadias pueden ser atribuidos a defectos de la síntesis de testosterona o de hormonas suprarrenales, defectos de receptores, síndromes asociados, anomalías cromosómicas, defectos en otros factores genéticos y agentes exógenos. Para identificar las causas subyacentes del 70 % de los hipospadias „idiopáticos“ realizamos estudios familiares y en gemelos. Se identificaron las familias informativas identificando los loci génicos y los genes candidatos subsecuentes por análisis mutacional. Se pueden hacer análisis de linkage en familias grandes con muchos individuos afectos que sugieran un rasgo monogénico o estudios de asociación en el caso de herencia compleja en familias con pocos individuos afectos. Los microarrays y la proteómica pueden ayudar a detectar la expresión génica y las diferencias proteicas. Es más, los modelos animales genéticamente modificados pueden ser utilizados para detectar genes filogenéticamente homólogos en humanos. Además de una documentación óptima y de la obtención de sangre y tejido es necesaria una cooperación estrecha entre clínicos de especialidades quirúrgicas y no quirúrgicas y genetistas.

Zusammenfassung

Bei einer Hypospadie mündet die Harnröhrenöffnung an der Penisunterseite fehl. Diese unvollständige Entwicklung der männlichen Genitale mit verschiedenen Schweregraden tritt bei ca. 0,3 bis 7 Neugeborenen pro 1000 Lebendgeburten auf.

Neben einer höheren Inzidenz von Betroffenen in konsanguinen Familien und der Vermutung eines rezessiven Erbganges existieren auch Familien, in denen eine dominante Übertragung wahrscheinlich ist. Dabei scheint der Schweregrad der Malformation mit dem Wiederholungsrisiko in der nächsten Generation zu korrelieren.

Bisher lassen sich allerdings erst 30 % der schweren Hypospadien einer definierten Ursache wie Nebennierenrinden-/Testosteronbiosynthesedefekte, Rezeptorstörungen, syndrom-assoziierten Hypospadien, chromosomalen Anomalien, Defekten anderer genetischer Faktoren und exogenen Formen zuordnen.

Um weitere genetische Faktoren für die verbleibenden 70 % „idiopathischer“ Hypospadien identifizieren zu können, werden familiäre Hypospadie- bzw. Zwillingsstudien durchgeführt. Segregationsanalysen können im Falle eines komplexen Erbganges in Verbindung mit Assoziationsstudien (viele Familien mit wenigen Betroffenen) bzw. im Falle eines monogenetischen Erbganges (große Familien mit vielen Betroffenen) zur Kandidatengen-Identifizierung durch Mutationsanalyse führen. Aber auch Expressions- und Proteomics-Studien können Expressionsunterschiede bei Patienten mit Hypospadie aufzeigen. Genetisch modifizierte Tiere können die Identifizierung phylogenetisch homologer Gene bei Menschen ermöglichen.

All dies erfordert eine enge Kooperation zwischen operativen und nicht-operativen Klinikern sowie Genetikern, wobei eine optimale Falldokumentation und Probenmaterialakquisition gewährleistet sein muss.

Hypospadias - genes - aetiology - candidate gene approaches

Hypospadias - gènes - étiologie - gènes candidats

Hipospadias - genes - etiología - genes candidatos

Hypospadien - Gene - Ätiologie - Kandidatengen-Identifikation

References

• 1 Aaronson I A, Cakmak M A, Key L L. Defects of the testosterone biosynthetic pathway in boys with hypospadias.  J Urol. 1997;  157 1884-1888
• 2 Abusheikha N, Lass A, Brinsden P. XX males without SRY gene and with infertility.  Hum Reprod. 2001;  16 717-718
• 3 Albers N, Ulrichs C, Glüer S, Hiort O, Sinnecker G H, Mildenberger H. et al . Etiologic classification of severe hypospadias: implications for prognosis and management.  J Pediatr. 1997;  131 386-392
• 4 Arpino C, Brescianini S, Robert E, Castilla E E, Cocchi G, Cornel M C, de Vigan C, Lancester P A, Merlob P, Sumiyoshi Y, Zampino G, Renzi C, Rosano A, Mastroiacovo P. Teratogenic effects of antiepileptic drugs: use of an international database on malformations and drug exposure (MADRE).  Epilepsia. 2000;  41 1436-1443
• 5 Avellán L. The incidence of hypospadias in Sweden.  Scand J Plast Reconstr Surg. 1975;  9 129-139
• 6 Baskin L S. Hypospadias and urethral development.  J Urol. 2000;  163 951-956
• 7 Bauer S B, Retik A B, Colodny A H. Genetic aspects of hypospadias.  Urol Clin North Am. 1981;  8 559-564
• 8 Benirschke K, Naftolin F, Gittes R, Khudr G, Yen S S, Allen Jr F H. True hermaphroditism and chimerism.  Am J Obst Gynecol. 1972;  113 449-458
• 9 Cameron F J, Sinclair A H. Mutations in SRY and SOX9: testis-determining genes.  Hum Mutat. 1997;  9 388-395
• 10 Ericson A, Kallen B. Congenital malformations in infants born after IVF: a population-based study.  Hum Reprod. 2001;  16 504-509
• 11 Federman D D, Donahoe P K. Ambiguous genitalia-etiology, diagnosis, and therapy.  Adv Endocrinol Metab. 1995;  6 91-116
• 12 Geley S, Kapelari K, Jöhrer K, Peter M, Glatzl J, Vierhapper H, Schwarz S, Helmberg A, Sippell W G, White P C, Kofler R. CYP11B1 mutations causing congenital adrenal hyperplasia due to 11β-hydroxylase deficiency.  J Clin Endocrinol Metab. 1996;  81 2896-2901
• 13 Gibbons R J, Ricketts D J, Villard L, Higgs D R. Mutations in a putative global transcriptional regulator cause X-linked mental retardation with alpha-thalassemia (ATR-X syndrome).  Cell. 1995;  80 837-845
• 14 Gray Jr L E, Kelce W R. Latent effects of pesticides and toxic substances on sexual differentiation in rodents.  Toxicol Ind Health. 1996;  12 515-531
• 15 Hiort O, Klauber G, Cendron M, Sinnecker G HG, Keim L, Schwinger E, Wolfe H J, Yandell D W. Molecular characterization of the androgen receptor gene in boys with hypospadias.  Eur J Pediatr. 1994;  153 317-321
• 16 Hiort O, Holterhus P M. The molecular basis of male sexual differentiation.  Eur J Endocrinol. 2000;  142 101-110
• 17 Hiort O. Neonatal endocrinology of abnormal male sexual differentiation: molecular aspects.  Hormon Res. 2000;  53 38-41
• 18 Holterhus P M, Hiort O, Demeter J, Brown P O, Brooks J D. Differential gene-expression patterns in genital fibroblasts of normal males and 46, XY females with androgen insensitivity syndrome: evidence for early programming involving the androgen receptor.  Genome Biol. 2003;  4 R37
• 19 Huang B, Wang S, Ning Y, Lamb A N, Bartley J. Autosomal XX sex reversal caused by duplication of SOX9.  Am J Med Genet. 1999;  87 349-353
• 20 Imbeaud S, Faure E, Lamarre I, Mattei M G, di Clemente N, Tizard R, Carre-Eusebe D, Belville C, Tragethon L, Tonkin C. et al . Insensitivity to anti-Mullerian hormone due to a mutation in the human anti-Mullerian hormone receptor.  Nat Genet. 1995;  11 382-388
• 21 Joffe M. Are problems with male reproductive health caused by endocrine disruption?.  Occup Environ Med. 2001;  58 281-287
• 22 Kelce W R, Wilson E M. Environmental antiandrogens: developmental effects, molecular mechanisms, and clinical implications.  J Mol Med. 1997;  75 198-207
• 23 Köhler B, Schumacher V, L'Allemand D, Royer-Pokora B, Gruters A. Germline Wilms' tumor suppressor gene (WT1) mutation leading to isolated genital malformation without Wilms' tumor or nephropathy.  J Pediatr. 2001;  138 421-424
• 24 Martens J W, Verhoef-Post M, Abelin N, Ezabella M, Toledo S P, Brunner H G, Themmen A P. A homozygous mutation in the luteinizing hormone receptor causes partial Leydig cell hypoplasia: correlation between receptor activity and phenotype.  Mol Endocrinol. 1998;  12 775-784
• 25 Mendonca B B, Inacio M, Arnhold I J, Costa E M, Bloise W, Martin R M, Denes F T, Silva F A, Andersson S, Lindqvist A, Wilson J D. Male pseudohermaphroditism due to 17 beta-hydroxysteroid dehydrogenase 3 deficiency. Diagnosis, psychological evaluation, and management.  Medicine (Baltimore). 2000;  79 299-309
• 26 Misrahi M, Meduri G, Pissard S, Bouvattier C, Beau I, Loosfelt H, Jolivet A, Rappaport R, Milgrom E, Bougneres P. Comparison of immunocytochemical and molecular features with the phenotype in a case of incomplete male pseudohermaphroditism associated with a mutation of the luteinizing hormone receptor.  J Clin Endocrinol Metab. 1997;  82 2159-2165
• 27 Moisan A M, Ricketts M L, Tardy V, Desrochers M, Mébarki F, Chaussain J L, Cabrol S, Raux-Demay M C, Forest M G, Sippell W G, Peter M, Morel Y, Simard J. New insight into the molecular basis of 3β-hydroxysteroid dehydrogenase deficiency: identification of eight mutations in the HSD3B2 gene in eleven patients from seven new families and comparison of the functional properties of twenty-five mutant enzymes.  J Clin Endocrinol Metab. 1999;  84 4410-4425
• 28 Mortlock D P, Innis J W. Mutation of HOXA13 in hand-foot-genital syndrome.  Nat Genet. 1997;  15 179-180
• 29 North K, Golding J. A maternal vegetarian diet in pregnancy is associated with hypospadias. The ALSPAC study team. Avon longitudinal study of pregnancy and childhood.  BJU Int. 2000;  85 107-113
• 30 Ottolenghi C, McElreavey K. Deletions of 9 p and the quest for a conserved mechanism of sex determination.  Mol Genet Metab. 2000;  71 397-404
• 31 Palermo G D, Neri Q V, Hariprashad J J, Davis O K, Veeck L L, Rosen Z. ICSI and its outcome.  Semin Reprod Med. 2000;  18 161-169
• 32 Raman-Wilms L, Tseng A L, Wighardt S, Einarson T R, Koren G. Fetal genital effects of first-trimester sex hormone exposure: meta-analysis.  Obstet Gynecol. 1995;  85 141-149
• 33 Sheldon C A, Duckett J W. Hypospadias.  Pediatr Clin North Am. 1987;  34 1259-1272
• 34 Silver R I, Russell D W. 5α-reductase type 2 mutations are present in some boys with isolated hypospadias.  J Urol. 1999;  162 1142-1145
• 35 Speiser P W. Congenital adrenal hyperplasia owing to 21-hydroxylase deficiency.  Endocrinol Metab Clin North Am. 2001;  30 31-59
• 36 Sutherland R W, Wiener J S, Hicks J P, Marcelli M, Gonzales Jr E T, Roth D R, Lamb D J. Androgen receptor gene mutations are rarely associated with isolated penile hypospadias.  J Urol. 1996;  156 828-831
• 37 Toppari J, Skakkebaek N E. Sexual differentiation and environmental endocrine disrupters.  Baillieres Clin Endocrinol Metab. 1998;  12 143-156
• 38 Utsch B, Albers N, Dame C, Bartmann P, Lentze M J, Ludwig M. Homozygous alpha-thalassemia associated with hypospadias: SEA-type deletion does not affect expression of the -14 gene and loss of the theta1-globin gene on 16p13. 3 is compensated by its duplicate theta2 on chromosome 10.  Am J Med Genet. 2001;  101 286-287
• 39 Utsch B, Becker K, Brock D, Lentze M J, Bidlingmaier F, Ludwig M. A novel stable polyalanine [poly(A)] expansion in the HOXA13 gene associated with hand-foot-genital syndrome: proper function of poly(A)-harbouring transcription factors depends on a critical repeat length?.  Hum Genet. 2002;  110 488-494
• 40 Utsch B, Kaya A, Özburun A, Lentze M, Albers N, Ludwig M. Exclusion of WTAP and HOXA13 as candidate genes for isolated hypospadias.  Scand J Urol Nephrol. 2003;  37 498-501
• 41 Wagner T, Wirth J, Meyer J, Zabel B, Held M, Zimmer J, Pasantes J, Bricarelli F D, Keutel J, Hustert E. et al . Autosomal sex reversal and campomelic dysplasia are caused by mutations in and around the SRY-related gene SOX9.  Cell. 1994;  79 1111-1120
• 42 Weidner I S, Møller H, Jensen T K, Skakkebæk N E. Risk factors for cryptorchidism and hypospadias.  J Urol. 1999;  161 1606-1609
• 43 Wennerholm U B, Bergh C, Hamberger L, Lundin K, Nilsson L, Wikland M, Kallen B. Incidence of congenital malformations in children born after ICSI.  Hum Reprod. 2000;  15 944-948
• 44 Wilson J D, Griffin J E, Russell D W. Steroid 5 alpha-reductase 2 deficiency.  Endocr Rev. 1993;  14 577-593
• 45 Yordam N, Alikasifoglu A, Kandemir N, Caglar M, Balci S. True hermaphroditism: clinical features, genetic variants and gonadal histology.  J Pediatr Endocrinol Metab. 2001;  14 421-427
• 46 Zhang L, Mason J I, Naiki Y, Copeland K C, Castro-Magana M, Gordon-Walker T T, Chang Y T, Pang S. Characterization of two novel homozygous missense mutations involving codon 6 and 259 of type II 3β-hydroxysteroid dehydrogenase (3betaHSD) gene causing, respectively, nonsalt-wasting and salt-wasting 3betaHSD deficiency disorder.  J Clin Endocrinol Metab. 2000;  85 1678-1685