科學家發現男性生育能力相關基因，基因突變將致“無精子症”

不孕不育是一些家庭面臨的苦痛。 2017年5月26日淩晨， 線上發表在國際頂級學術期刊《細胞》（Cell）的一篇研究論文顯示， 一類與男性不育直接相關的基因被發現。 該基因Piwi (Hiwi)的三種突變， 均會導致男性不能產生成熟的、有活力的、合格的精子， 即“無精子症”， 造成男性不育。 該研究成果或將為臨床治療帶來新的轉機。

該論文通訊作者是中科院生化與細胞所（中國科學院生物化學與細胞生物學研究所）研究員劉默芳、上海市計劃生育科學研究所研究員施惠娟。

在男性不育患者體內發現新的基因突變

該研究論文稱，

Piwi家族的蛋白在整個生物進化歷史上都很保守， 線蟲、果蠅、魚類、小鼠、人體內都有這種蛋白。 但這種蛋白只在這些生物的生殖細胞中存在。

精子的產生和成熟過程。 圖片均由劉默芳課題組提供

從1998年到2008年， 科學家們對線蟲、果蠅、魚類、小鼠的研究都表明， Piwi家族的蛋白對生殖細胞的成熟至關重要。

但在人體內呢， 在精子成熟的過程中， Piwi家族的蛋白發揮了什麼作用？

人類的一種Piwi基因被稱為Hiwi基因， 該基因編碼產生HIWI蛋白。

劉默芳、施惠娟帶領的研究人員對413位原發性“無精子症”、弱精症患者進行了基因檢測， 他們在三位患者的Hiwi基因中， 發現了三種基因突變型， 對應在HIWI蛋白中分別為：R218A/L221A（患者1）， L221G/N225H（患者2）， L221R（患者3）。

研究人員發現， 如果在小鼠基因組“敲入”這些突變基因，

雄性小鼠會出現不育， 其精子形態異常， 頭部結構疏鬆， 無活力， 與人類患者的疾病表型完全一致。 這意味著， Piwi（Hiwi）基因的這些突變， 可直接導致男性/雄性不育。

“置換”後， 精子才活力四射

Piwi（Hiwi）基因突變， 為什麼會導致精子形態畸形、活力不佳， 以及雄性不育？

事情得從一個多世紀以前說起。

一個多世紀以前， 科學家就在動物精子中發現一個奇怪的現象：動物體內數量佔據絕對優勢是體細胞， 在其細胞核裡， 基因組DNA經常被纏繞成“棒槌”一樣的線軸， “線軸”的核心是組蛋白——八個組蛋白的聚集體。 但在成熟精子細胞中， 卻是另外一種情形。 成熟精子細胞核中的組蛋白被魚精蛋白替換。

這種“置換”的目的似乎是為了讓精子的“腦袋”更尖。

更緻密的“線軸”是為了保證遺傳的穩定性。 而且只有這一“置換”順利完成， 精子才會變得活力四射。 否則， 精子就“身材走樣兒”， 遊動能力低下， 甚至沒有活力。

這一“置換”過程是如何發生的， 哪些基因、蛋白或其他細胞內物質參與其中？人們知之甚少。

直到2010年， 科學家發現， 只有當“線軸”中的H2A和H2B組蛋白發生了泛素化， “置換”才會發生。 名為RNF8的“組蛋白泛素連接酶”調控了這一過程， 因為H2A和H2B的泛素化標籤， 是它添加上去的。

泛素是細胞中分子量很小的一種蛋白。 它如一個倒計時牌， 一旦一連串的泛素被“掛到”某蛋白上， 如組蛋白上， 就表明該組蛋白即將“壽終正寢”， 被清運到“垃圾場”降解。

但誰調控了RNF8， 誰觸發了“置換”過程？

人們對此一無所知。

轉機大約在三年前出現。 2013年， 劉默芳帶領的團隊對PIWI家族的蛋白研究， 有了新的發現。

自毀結構域D-box失效

作為一種生物大分子， PIWI家族的蛋白的結構， 被研究者分為包括“氨基端”等在內的四個結構域（domain）。 一直以來， 唯有其“氨基端”的功能重要性不詳。

劉默芳團隊率先發現， 該家族蛋白的氨基端存在D-box結構域（自毀結構域， destruction box）。 從其名字， 人們或許會想到“原地旋轉， 自行爆炸”的動漫場景。 而相關研究證實， D-box結構域的確與PIWI家族的蛋白， 如HIWI蛋白、MIWI蛋白等的正常清除有關。

精子的產生和成熟過程。

上文三名患有“無精子症”的患者體內關於Hiwi基因的突變， 均對應發生在HIWI蛋白的D-box結構域。 這一功能結構域的異常， 導致HIWI蛋白在精子變形後期、將要成熟的階段，

不能被正常清除。

D-box結構域的異常， 對RNF8產生了哪些影響？

研究人員在小鼠中進行了進一步的研究。 在小鼠中， 與HIWI對應的PIWI蛋白， 被稱為“MIWI蛋白”。

劉默芳團隊的苟蘭濤、戴鵬等人研究發現， MIWI蛋白可以與RNF8蛋白結合， 導致RNF8在細胞質中滯留。

正常情況下， 在精子變形後期、精子將要成熟的階段， MIWI蛋白會被清除， RNF8得以入核， 並發揮其泛素連接酶的功能， 使精子細胞核中DNA“線軸”核心的組蛋白被泛素化。

但是， 當研究人員在小鼠中引入前述Piwi基因突變時， 這些突變基因編碼產生了D-box結構域異常的MIWI蛋白。 該蛋白不能在精子成熟階段被正常清除， 導致RNF8在細胞質中持續滯留， 進而導致精子細胞核中的組蛋白缺少泛素化修飾。 這種泛素化標籤的缺乏， 使得精子DNA“線軸”換裝失敗——其組蛋白沒有被魚精蛋白置換。

這種巨變，讓正在走向成熟的精子細胞永遠停留在了“青春期”——形態畸形，缺乏尖尖的腦袋，活力也不佳。最終的結果是，這些患者的精液中沒有成熟的、有功能的、合格的精子，導致“無精子症”和男性不育。

研究人員發現，當他們用RNF8-N肽段大量消耗精子細胞中非正常的MIWI蛋白，阻止該蛋白對RNF8的攔截時，精子細胞將被拯救，成功度過“青春期”，成熟並變得活力十足。

當然，研究人員強調，該干預措施是否能成為一種通用的治療手段，還有待現實的考量。

使得精子DNA“線軸”換裝失敗——其組蛋白沒有被魚精蛋白置換。

這種巨變，讓正在走向成熟的精子細胞永遠停留在了“青春期”——形態畸形，缺乏尖尖的腦袋，活力也不佳。最終的結果是，這些患者的精液中沒有成熟的、有功能的、合格的精子，導致“無精子症”和男性不育。

研究人員發現，當他們用RNF8-N肽段大量消耗精子細胞中非正常的MIWI蛋白，阻止該蛋白對RNF8的攔截時，精子細胞將被拯救，成功度過“青春期”，成熟並變得活力十足。

當然，研究人員強調，該干預措施是否能成為一種通用的治療手段，還有待現實的考量。