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山东大学和中科院合作揭示男性不育的新机制

山东大学和中科院合作揭示男性不育的新机制

 

中科院动物所李卫研究员与山东大学陈子江院士团队近日在《The EMBO Journal》上发表了题为“Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans”的文章,首次发现并证实了父源USP26突变可增加子代的克氏综合征风险。

Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans

 

克氏综合征(Klinefelter syndrome)又称先天性曲细精管发育不全综合征,患者通常表现为男性第二性征发育迟缓和无精症。患者的染色体核型为47,XXY,即比正常男性多了一条X染色体(图1),因此该病又被称为XXY综合征。大多数克氏综合征患者是不育的,因此迫切需要了解如何预防和治疗这种疾病。

图1. 克氏综合征患者及对照的核型 | 赛业生物

图1. 克氏综合征患者及对照的核型。

 

额外的X染色体存在的原因是父母的生殖细胞在减数分裂形成精子和卵子的过程中,性染色体发生不分离现象所致。以往人们普遍认为克氏综合征的产生是随机的,也有报道称该病与母亲年龄有关,但仍有约一半的克氏综合征患者与父源因素相关。不过,这背后的分子机制在很大程度上仍然未知。

 

Usp26缺陷小鼠产生了XXY子代

为了研究父源疾病的遗传基础,研究人员对108例克氏综合征患者开展了全外显子组测序,发现许多预测的有害突变都位于X染色体上。之后,USP26激发了他们的兴趣。进一步的分析表明,USP26在克氏综合征患者中突变频率最高,暗示USP26突变可能影响克氏综合征的病因。

 

USP26属于泛素特异性蛋白酶家族,可以去除底物中的泛素链。为了确定USP26突变是否会导致克氏综合征子代,研究人员利用CRISPR-Cas9系统构建了Usp26基因敲除小鼠。Usp26位于X染色体上,因此这种Usp26敲除小鼠被称为Usp26-/Y。他们发现,Usp26-/Y小鼠的生育力随着年龄的增加而显著降低,并产生了部分染色体核型为41,XXY的小鼠。

 

USP26参与性染色体配对

接下来,为了进一步确定Usp26敲除的影响,他们分析了6个月大的Usp26-/Y小鼠的精子发生过程,发现Usp26-/Y小鼠的睾丸大小和重量显著降低。部分小鼠的生精小管显示结构异常并具有大液泡和凋亡细胞。此外,6个月大Usp26-/Y小鼠的精子总数减少。这些结果表明,Usp26的破坏在一定程度上损害了精子发生。

 

之后,研究人员通过免疫染色来鉴定USP26在精子发生过程中的精确定位,发现它在粗线期与联会的染色体轴一起出现,表明USP26参与了性染色体重组和联会。他们对6个月大Usp26-/Y小鼠精母细胞中的X和Y染色体进行FISH分析,发现大约40%的性染色体未配对,而野生型精母细胞中只有2%未配对。这些结果支持了USP26对于性染色体的联会是必不可少的。

 

由于USP26定位在XY body区域,故研究人员推测其可能会调节联会复合体相关蛋白TEX11的稳定性。他们证实,这两种蛋白质确实存在相互作用,而且USP26可以对TEX11进行去泛素化。Usp26-/Y睾丸中的TEX11水平显著降低,支持了USP26介导的去泛素化促进了TEX11的稳定性。Usp26敲除后TEX11水平降低,导致性染色体无法正常配对联合(Usp26敲除小鼠(2664bp)和Tex11敲除小鼠由赛业生物构建)

 

未配对的性染色体可能会导致第一次减数分裂中期的错误分离。从理论上说,如果性染色体在第一次减数分裂时随机分离,则精子将出现25%的X、Y、XY和O精子分布。他们发现,与对照相比,6个月大Usp26-/Y小鼠产生XY和O非整倍体圆形精子细胞的比例明显更高,而且XY非整倍体精子的比例也更高。

 

研究人员指出,以上这些结果表明Usp26的破坏会影响第一次减数分裂,而Usp26的功能破坏会扰乱性染色体配对,导致它们在第一次减数分裂中期的错误分离,产生XY非整倍体精子,进而导致41,XXY子代的产生(图2)。

图2. Usp26的破坏产生XY非整倍体精子,并导致41,XXY子代的产生 | 赛业生物

图2. Usp26的破坏产生XY非整倍体精子,并导致41,XXY子代的产生。

 

USP26变异对男性精子形成的影响

从小鼠研究推断,携带USP26变异的男性应该可以生育,但产生XY非整倍体精子的风险更高。因此,研究人员对正常可育男性的精子进行分析,发现携带UPS26变异的男性存在更高比例的XY非整倍体精子,清楚表明这些父源USP26变异会增加子代的克氏综合征风险。

 

之后,他们确定了两个家族,其中克氏综合征患者的父亲带有USP26突变的单倍型,而患者母亲在USP26编码区内不含有突变。进一步的短串联重复序列(STR)多态性连锁分析也证实了患者额外的X染色体来自其父亲(图3)。这些结果进一步支持了父源USP26突变可导致子代患上克氏综合征。

图3. 带有USP26突变的男性产生了XY非整倍体精子 | 赛业生物

图3. 带有USP26突变的男性产生了XY非整倍体精子。

 

小结

这项研究首次发现并证实了父源USP26相关突变可增加子代的克氏综合征风险。它打破了以往克氏综合症随机产生的观点,为克氏综合征的产生机制提供了一个全新视角,并有望带来新的诊断和治疗靶点以及预防干预策略。

 

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原文检索:

Liu C, Liu H, Zhang H, Wang L, Li M, Cai F, Wang X, Wang L, Zhang R, Yang S, Liu W, Liang Y, Wang L, Song X, Su S, Gao H, Jiang J, Li J, Luo M, Gao F, Chen Q, Li W, Chen ZJ. Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans. EMBO J. 2021 May 12:e106864. doi: 10.15252/embj.2020106864. Epub ahead of print. PMID: 33978233.

 

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