科學家發現人Piwi基因突變致男性不育

國際學術期刊《細胞》（Cell）於5月26日在線發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所劉默芳研究組與上海市計劃生育科學研究所施惠娟研究組合作的最新研究成果Ubiquitination-deficient Mutations in Human Piwi Cause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchange during Spermiogenesis ，該項研究首次發現人類Piwi 基因突變可導致男性不育，深入揭示了其致病機理，並為相關男性不育症的精準醫療提供了理論基礎和方法策略。

近年來，隨著全球人口出生率持續緩慢增長及人口老齡化加劇，不孕不育已逐漸由單純的醫學問題演變為備受關注的社會問題。

據不完全統計，在我國的不孕不育夫婦中，男性因素約占50%，非梗阻性無精、弱精及精子畸形是造成男性不育的重要原因，但其致病原因及機制還不甚了解，導致臨床診斷和治療策略極其有限。

Piwi 基因是在動物中進化保守的Argonaute 亞家族成員，特異性地在動物生殖系細胞中表達；在高等動物中，Piwi 則主要在雄性生殖細胞中表達。

PIWI 蛋白質特異性地結合一類被稱為 piRNA 的小分子非編碼調控 RNA ，形成 piRNA/PIWI 功能複合物，通過沉默生殖系細胞中的轉座元件及調控其它下游靶 RNA 分子，維持生殖細胞基因組穩定，為動物生殖細胞發育分化所必需。

已有的研究表明，在線蟲、果蠅、斑馬魚等低等動物中敲除Piwi 基因將導致雄性和雌性動物均不育，而在小鼠中敲除Piwi 基因致雄性不育，但對雌性個體的生育則無明顯影響。

人基因組共編碼了4個 PIWI 蛋白，均在睪丸組織高表達，但到目前為止，關於 PIWI 蛋白在人類精子發生中的功能和作用機制還未見任何報導，對Piwi 基因突變在男性不育症發生中的作用也幾乎是一無所知。

劉默芳研究組苟蘭濤、康俊炎、戴鵬、王鑫、李鋒等在劉默芳的指導下，通過與上海市計劃生育科學研究所施惠娟研究組合作，篩查了413例臨床無精、弱精症患者 Hiwi （人源Piwi ）基因上控制 HIWI 蛋白泛素化修飾降解的關鍵元件 D-box ，發現有3例病人在此元件中存在雜合性基因突變，且發現此類突變可來源於基因自發突變，也可從母親遺傳獲得。

為鑑定此類突變是否是造成這些患者發生無精/少弱精的原因，研究人員將其中的一組突變條件型敲入小鼠Piwi 基因（Miwi），在小鼠模型中研究此類突變對精子發生的作用。

他們發現，MiwiD-box 雜合突變小鼠均出現雄性不育，精子表型也與患者一致。

深入研究發現，MiwiD-box 雜合突變小鼠精子發生阻滯在延長型精子細胞發育階段，儘管能產生少量精子，但精子形態異常、細胞核結構疏鬆、無活力。

機制研究揭示， MIWI 蛋白與組蛋白泛素連接酶 RNF8 相互作用，可將 RNF8 扣留在精子細胞胞質中。

在野生型小鼠中， MIWI 蛋白將在後期精子細胞中被 APC/C 泛素連接酶介導的泛素化通路降解，從而使得 RNF8 入核泛素化修飾組蛋白，進而啟動組蛋白-魚精蛋白交換；而在突變小鼠中， D-box 突變使 MIWI 蛋白不能被 APC/C 泛素化修飾降解，導致 MIWI 蛋白異常積累在後期精子細胞中，從而造成本應進入核行使功能的 RNF8 蛋白因子被繼續扣留於胞質，進而抑制了組蛋白修飾及組蛋白-魚精蛋白交換的啟動，導致組蛋白大量滯留精子中，最終造成精子數量劇烈減少、精子頭部結構異常及精子活力喪失。

有趣的是，將一段 RNF8 N -端多肽導入突變小鼠的精子細胞中，可有效阻斷 MIWI 對內源 RNF8 的扣留，逆轉精子細胞中組蛋白-魚精蛋白交換障礙，恢復精子活動能力，提示這一策略可有效治療這類無精症/少弱精症。

這項研究成果首次證明Piwi 基因突變可致男性不育，並為這類不育症的早期分子診斷及臨床治療提供了理論依據和方法策略。

該項研究工作是一項從人類遺傳學到動物模型、分子機理及至治療策略探索的系統研究，同時得到了美國加州大學聖地亞哥分校教授付向東、上海交通大學附屬第一人民醫院教授李崢、上海生科院生物化學與細胞生物學研究所研究員李黨生、李勁松和吳立剛等的大力協助，並得到了國家基金委、國家科技部、中科院及上海市科委的資助。

該工作的數據收集還得到了生化與細胞所公共技術服務中心動物實驗技術平台、分子生物學平台和細胞生物學平台的支持。

上海生科院等發現人 Piwi 基因突變致男性不育