男性不育?可能与这个基因有关
近年来,随着全球人口出生率持续缓慢增长及人口老龄化加剧,不孕不育已逐渐由单纯的医学问题演变为备受关注的社会问题。据不完全统计,在我国的不孕不育夫妇中,男性因素约占50%。由遗传缺陷(包括染色体异常和基因突变)引起的精子发育障碍约占男性不育的30%以上。本文将为大家介绍的是与男性不育相关的USP26基因。
USP26基因
泛素特异性蛋白酶26 (USP26,Ubiquitin-Specific Protease 26),属于泛素化特异加工蛋白酶家族,是一个具有组氨酸(His)和半胱氨酸(Cys)结构域的去泛素化酶(DUB,deubiquitinating enzyme),该基因的一个重要类似物是USP29。USP26基因位于人类X染色体上,基因全长约73.9kb,共有6个外显子,913个氨基酸。USP26基因在睾丸组织以及血睾屏障中特异性表达,在精子发生过程中减数分裂前的精原细胞中表达,包括原始A型、Ap型和B型精原细胞。与USP26相关的疾病主要为男性不育,包括弱畸精子症、非梗阻性无精子症(NOA)、唯支持细胞综合征(Sertoli cell-only syndrome, SCOS)和克氏综合征(Klinefelter syndrome,KS)。
图1. USP26基因在小鼠和人类X染色体上的位置(红框)[1]
表1. USP26的基本信息
备注:标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠
男性不育
男性不育症患者中,约15%-20%是因为无精子症,无精子症可以分为梗塞性无精子症和非梗塞性无精子症,而非梗塞性无精子症是影响60%无精子症男性的重要病因。研究表明,USP26基因与非梗塞性无精子症中的弱畸精子症、无精子症、唯支持细胞综合征和克氏综合征密切相关。克氏综合征是性染色体异常疾病,其遗传病理是生殖细胞减数分裂过程中染色体不分离,导致性染色体二倍体配子产生,常见的核型有47,XXY /46,XY、48XXXY /46,XY等,其中约80%-90%的克氏综合征患者核型为 47,XXY。
1.USP26基因与克氏综合征
在中科院动物所李卫研究员与山东大学陈子江院士团队的一项父源USP26突变增加小鼠和人类后代的克氏综合征风险的研究中[2],发现USP26可与TEX11相互作用调节性染色体的重组和配对。此外,还发现KS后代的比例也与USP26-/Y雄性小鼠的年龄有关,且KS后代是由6月龄的Usp26-/Y小鼠产生的,而不是由2月龄的Usp26-/Y小鼠产生的。并且观察到大量的Usp26-/Y纺锤体表现出染色体滞后,且带有这些染色体的部分细胞TUNEL呈阴性,因此,推测衰老的Usp26-/Y雄性小鼠纺锤体装配检查点的失活可能导致非整倍体精子的产生,从而加剧生育力下降。(Usp26敲除小鼠(2664bp)和Tex11敲除小鼠由赛业生物构建)
2.USP26基因与唯支持细胞综合征
在Maram Arafat等人的一项关于USP26突变与SCOS患者的无精子症相关研究中,患者睾丸组织病理切片中仅出现支持细胞(图2),且患者白细胞基因组DNA进行全外显子测序(whole exome sequencing,WES)和染色体分析结果仅出现USP26基因突变,表明USP26突变可能是导致SCOS的重要原因之一。
图2. SCOS患者的睾丸组织病理学切片[3]
USP26敲除小鼠模型
在西安交通大学基础医学院的一项关于USP26基因突变导致小鼠精子发生缺陷相关的雄性生育力低下的研究中,利用C57BL/6J小鼠建立USP26敲除小鼠(Usp26-/Y),分别检测野生型小鼠(Usp26+/Y)与USP26敲除小鼠生育率、血清中激素水平、精子数量,精子活力,睾丸细胞DNA含量、睾丸细胞倍型分析,结果显示,USP26敲除小鼠的USP26蛋白在睾丸组织中无表达(图3);相比于Usp26+/Y小鼠,Usp26-/Y小鼠的生育率降低约18.72%、睾酮(T)水平只有野生型小鼠的49.1%、促黄体生成素(LH)增加到387%;促卵泡激素(FSH)无显著变化;精子数量减少、活力无明显差异;成熟的单倍体生殖细胞(HC)显著减少;未成熟单倍体、二倍体和四倍体细胞没有差异。
图3. IHC染色分析USP26蛋白在Usp26+/Y小鼠和 Usp26-/Y小鼠睾丸中的表达和分布[4]
图4. Usp26缺失导致雄性小鼠不育[4]。A) Usp26+/Y和Usp26−/Y小鼠体内的生殖能力。n = 11 and 15; *P < 0.05. B) ELISA测定Usp26+/Y和Usp26−/Y小鼠性激素水平。(每组n = 10). LH, luteinizing hormone(促黄体激素); FSH, follicle-stimulating hormone(促卵泡激素); E2, estradiol(雌二醇); T, testosterone(睾酮). *P < 0.05, **P < 0.001. C-F)精液分析结果。所有值用平均值±SD表示(n = 10)。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey的多重比较检验确定统计学差异。C)计算机辅助精子分析(CASA)的Usp26+/Y和Usp26−/Y小鼠精子计数。D) 0.5%伊红染色计数活精子。♦: 活精子; ☆:死精子。E) CASA检测Usp26+/Y和Usp26- /Y小鼠的精子活力和活力。F) CASA计数Usp26+/Y和Usp26-/Y小鼠进行性和非进行性精子百分比。G) Usp26+/Y和Usp26-/Y小鼠睾丸的流式细胞术分析(每种基因型n = 10): G)睾丸细胞代表性DNA含量分布直方图。流式细胞仪直方图显示Usp26 -/Y和Usp26+/Y小鼠有4个主要峰:HC峰(成熟单倍体细胞或细长精子细胞)、1C峰(未成熟单倍体细胞或圆形精子细胞)、2C峰(精原细胞和次级精母细胞)和4C峰(初级精母细胞);蓝线:野生型小鼠;红线:纯合小鼠。H) Usp26-/Y和Usp26+/Y小鼠睾丸亚单倍体(HC)、单倍体(1C)、二倍体(2C)和四倍体(4C)细胞的相对百分比,*P<0.05。
治疗
目前,胞浆内单精子显微注射治疗(Intracytoplasmic sperm injection, ICSI)是一种有效的治疗弱畸型精子症的方法。在2021年国内的一项USP26突变诱导的男性不育和弱精子症的研究中,对两名携带USP26突变的男性进行卵胞浆内单精子显微注射(Intracytoplasmic sperm injection, ICSI)辅助生殖治疗。如表所示,H002 II-1在中期提取4个卵母细胞,4个受精卵。在这些细胞中发育出3个质量良好的细胞,其中2个用于胚胎移植,这对夫妇成功地怀孕和分娩了一次。对于H042 II-1,在中期提取10个卵母细胞,7个受精。胚胎移植后预后良好。因此,ICSI可推荐用于与usp26相关的畸形精子症的治疗。
表2. USP26突变精子的ICSI周期临床结果[5]
小结
精子发生作为男性生育过程的重要环节,是睾丸特异性的多步骤生物学过程,受复杂的机制调控。在精子发生过程中,去泛素化酶在调节多种细胞活动和蛋白质周转(如鱼精蛋白和替代组蛋白)、生殖细胞凋亡、有丝分裂增殖和精原干细胞分化中发挥重要作用。多项研究表明,具有去泛素化功能的USP26基因变异与部分男性不孕表型有重要关系。而ICSI作为一种辅助生殖技术,有望成为帮助不孕夫妇成功怀孕的重要工具。
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参考文献:
[1] Wang PJ, Page DC, McCarrey JR. Differential expression of sex-linked and autosomal germ-cell-specific genes during spermatogenesis in the mouse. Hum Mol Genet. 2005;14(19):2911-2918.
[2] Liu C, Liu H, Zhang H, et al. Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans. EMBO J. 2021;40(13):e106864.
[3] Arafat M, Zeadna A, Levitas E, et al. Novel mutation in USP26 associated with azoospermia in a Sertoli cell-only syndrome patient. Mol Genet Genomic Med. 2020;8(7):e1258.
[4] Tian H, Huo Y, Zhang J, et al. Disruption of ubiquitin specific protease 26 gene causes male subfertility associated with spermatogenesis defects in mice†. Biol Reprod. 2019;100(4):1118-1128.
[5] Liu C, Shen Y, Shen Q, et al. Novel Mutations in X-Linked, USP26-Induced Asthenoteratozoospermia and Male Infertility. Cells. 2021;10(7):1594. Published 2021 Jun 25.
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