刘默芳研究组与上海计生所施惠娟研究组合作发现人Piwi基因突变致男性不育

        国际著名学术期刊《细胞》(Cell）于5月26日在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所刘默芳研究组与上海市计划生育科学研究所施惠娟研究组合作的最新研究成果“Ubiquitination-deficient Mutations in HumanPiwiCause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchangeduring Spermiogenesis”，该项研究首次发现人类Piwi基因突变可导致男性不育，深入揭示了其致病机理，并为相关男性不育症的精准医疗提供了理论基础和方法策略。

 

        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%，非梗阻性无精、弱精及精子畸形是造成男性不育的重要原因，但其致病原因及机制还不甚了解，导致临床诊断和治疗策略极其有限。

 

        Piwi基因是在动物中进化保守的Argonaute亚家族成员，特异性地在动物生殖系细胞中表达；在高等动物中，Piwi则主要在雄性生殖细胞中表达。PIWI蛋白质特异性地结合一类被称为piRNA的小分子非编码调控RNA，形成piRNA/PIWI功能复合物，通过沉默生殖系细胞中的转座元件及调控其它下游靶RNA分子，维持生殖细胞基因组稳定，为动物生殖细胞发育分化所必需。已有的研究表明，在线虫、果蝇、斑马鱼等低等动物中敲除Piwi基因将导致雄性和雌性动物均不育，而在小鼠中敲除Piwi基因致雄性不育，但对雌性个体的生育则无明显影响。人基因组共编码了4个PIWI蛋白，均在睾丸组织高表达，但到目前为止，关于PIWI蛋白在人类精子发生中的功能和作用机制还未见任何报道，对Piwi基因突变在男性不育症发生中的作用也几乎是一无所知。

 

        刘默芳研究组苟兰涛、康俊炎、戴鹏、王鑫、李锋等在刘默芳研究员的指导下，通过与上海市计划生育科学研究所施惠娟研究组合作，筛查了413例临床无精、弱精症患者Hiwi（人源Piwi）基因上控制HIWI蛋白泛素化修饰降解的关键元件D-box，发现有3例病人在此元件中存在杂合性基因突变，且发现此类突变可来源于基因自发突变，也可从母亲遗传获得。为鉴定此类突变是否是造成这些患者发生无精/少弱精的原因，研究人员将其中的一组突变条件型敲入小鼠Piwi基因（Miwi），在小鼠模型中研究此类突变对精子发生的作用。他们发现， Miwi D-box杂合突变小鼠均出现雄性不育，精子表型也与患者一致。深入研究发现，Miwi D-box杂合突变小鼠精子发生阻滞在延长型精子细胞发育阶段，尽管能产生少量精子，但精子形态异常、细胞核结构疏松、无活力。机制研究揭示，MIWI蛋白与组蛋白泛素连接酶RNF8相互作用，可将RNF8扣留在精子细胞胞质中。在野生型小鼠中，MIWI蛋白将在后期精子细胞中被APC/C泛素连接酶介导的泛素化通路降解，从而使得RNF8入核泛素化修饰组蛋白，进而启动组蛋白-鱼精蛋白交换；而在突变小鼠中，D-box突变使MIWI蛋白不能被APC/C泛素化修饰降解，导致MIWI蛋白异常积累在后期精子细胞中，从而造成本应进入核行使功能的RNF8蛋白因子被继续扣留于胞质，进而抑制了组蛋白修饰及组蛋白-鱼精蛋白交换的启动，导致组蛋白大量滞留精子中，最终造成精子数量剧烈减少、精子头部结构异常及精子活力丧失。有趣的是，将一段RNF8 N-端多肽导入突变小鼠的精子细胞中，可有效阻断MIWI对内源RNF8的扣留，逆转精子细胞中组蛋白-鱼精蛋白交换障碍，恢复精子活动能力，提示这一策略可有效治疗这类无精症/少弱精症。这项研究成果首次证明Piwi基因突变可致男性不育，并为这类不育症的早期分子诊断及临床治疗提供了理论依据和方法策略。

 

        该项研究工作是一项从人类遗传学到动物模型、分子机理及至治疗策略探索的系统研究，同时得到了美国加州大学圣地亚哥分校付向东教授、上海交通大学附属第一人民医院李峥教授、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所李党生研究员、李劲松研究员和吴立刚研究员等的大力协助，并得到了国家基金委、国家科技部、中国科学院及上海市科委的资助。该工作的数据收集还得到了生化与细胞所公共技术服务中心动物实验技术平台、分子生物学平台和细胞生物学平台的支持。