楊旭輝，汪惠琴，朱照平，吳遠(yuǎn)菲

(廣東省婦幼保健院生殖健康與不孕癥科,廣東 廣州 510080)

目前,全世界不育癥的發(fā)病率約為15%,其中男性不育占50%左右[1],畸形精子癥是男性不育癥常見的類型之一。正常人精子是一種高度特化的細(xì)胞,頭部橢圓形,長(zhǎng)度約為5 μm,寬度2.5～3.5 μm,尾長(zhǎng)約50 μm,頂體占40%～70%?；尉邮侵割^、頸、尾形態(tài)發(fā)生變異,頭部畸形有巨大頭、無(wú)定型等;尾部畸形有卷尾、雙尾、缺尾等?；尉影Y的特征是精子中有85%以上形態(tài)異常的精子?；尉影Y分為2類:(1)單形性畸形精子癥:當(dāng)所有的精子顯示出一種獨(dú)特的異常時(shí)被稱為單形性畸形精子癥,包括大精子癥、圓頭精子癥、無(wú)頭精子癥、小頭精子癥和鞭毛多發(fā)形態(tài)異常(multiple morphologicalabnormalities of the sperm flagella,MMAF)等;(2)多態(tài)性畸形精子癥:精液中伴有1種以上的畸形精子?；尉影Y有很強(qiáng)的遺傳基礎(chǔ),至今尚未得到廣泛深入的研究。最近的研究初步發(fā)現(xiàn)一些常染色體隱性遺傳致畸形精子癥的病因,例如DPY19L2基因的全部缺失或突變、SPATA16基因突變導(dǎo)致患者出現(xiàn)圓頭精子癥,極光激酶C(aurora kinase C,AURKC)基因復(fù)發(fā)性突變導(dǎo)致患者出現(xiàn)大精子癥,SUN5基因突變導(dǎo)致患者出現(xiàn)無(wú)頭精子癥等[2-3]。為了深入了解畸形精子癥的發(fā)病機(jī)制,提供有關(guān)可能導(dǎo)致畸形精子癥的遺傳和分子缺陷的有價(jià)值的信息,有助于更好地理解畸形精子癥的生理病理學(xué),使臨床醫(yī)生能夠?yàn)榛颊咛峁└敿?xì)可靠的遺傳咨詢和最佳的治療方案,并開發(fā)針對(duì)缺陷基因產(chǎn)品的個(gè)性化藥物,本文對(duì)圓頭精子癥、大精子癥、無(wú)頭精子癥、小頭精子癥、MMAF等畸形精子癥的分子遺傳學(xué)機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 單形性畸形精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

1.1 圓頭精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

圓頭精子癥是一種罕見的畸形精子癥(男性不育患者的發(fā)病率<0.1%),其特征是頂體生物發(fā)生和頭部成形失敗。圓頭精子癥臨床上分為Ⅰ型和Ⅱ型2種類型,Ⅰ型完全沒(méi)有頂體及頂體酶,Ⅱ型伴有部分頂體殘留[4]。有研究顯示,圓頭精子癥與DPY19L2、PICK1、SPATA16等基因結(jié)構(gòu)異常高度相關(guān)[5]。其中,DPY19L2基因突變常見,SPATA16和PICK1突變相對(duì)罕見。DPY19L2是DPY19L基因家族成員之一,為常染色體隱性遺傳基因,定位于染色體12q14.2,是精子頭部伸長(zhǎng)和頂體形成的重要基因。自2011年KOSCINSKI 等[5]首次發(fā)現(xiàn)DPY19L2是圓頭精子癥的發(fā)病基礎(chǔ)以來(lái),有多個(gè)不同點(diǎn)突變的DPY19L2基因被報(bào)道,例如核苷酸缺失c.1532delA在內(nèi)的點(diǎn)突變、核苷酸缺失c.1679delT和雙核苷酸缺失c.1681-1682delAC在內(nèi)的多重突變等[6-7]。最近亦發(fā)現(xiàn)新的DPY19L2點(diǎn)突變,如雜合子變體、純合子無(wú)義突變、復(fù)合雜合子變體、雜合子變體[8-9]。綜合所有DPY19l2基因篩選的研究,約70.2%的圓頭精子癥患者存在DPY19L2突變,其中52.3%為純合子缺失[10-11]。該類患者采用卵胞漿內(nèi)單精子注射 (intra cytoplasmic sperm injection,ICSI)加鈣離子輔助激活卵母細(xì)胞可獲得較高的活產(chǎn)率[12]。

ABDELHEDI等[13]研究了DPY19L2基因缺陷性圓頭精子癥患者精子基因組的三維結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn),DPY19L2基因缺陷性圓頭精子癥患者精子染色中心數(shù)目較健康人群有所增加;此外,對(duì)5個(gè)染色體區(qū)域(X,Y,7,17,18)的3D-FISH分析結(jié)果表明,DPY19L2缺陷的圓頭精子核顯示出了ctx、CT 7和CT 18空間結(jié)構(gòu)的改變。 GUO等[14]研究結(jié)果顯示,與健康人群相比,DPY19L2基因缺陷圓頭精子癥患者精子中SPACA1、IZUMO1、ZPBP1和PLCZ1等幾種蛋白質(zhì)表達(dá)水平降低,表明DPY19L2基因缺陷的精子的頂體、染色質(zhì)存在分子缺陷,而這種缺陷可導(dǎo)致在精卵相互作用和受精過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)缺陷;這為探討圓頭精子增多癥的發(fā)病機(jī)制提供了依據(jù)。

SPATA16基因是常染色體隱性遺傳基因,定位于人染色體3q26.31,該基因編碼蛋白表達(dá)于高爾基體和頂體前囊泡,參與前頂體囊的形成[15]。研究證實(shí),SPATA16點(diǎn)突變可介導(dǎo)圓頭精子的形成[16]。

目前還發(fā)現(xiàn)一些新的導(dǎo)致圓頭精子癥發(fā)生的突變體:例如SPACA1基因中的1個(gè)無(wú)義變體[17],ZPBP和CCDC62純合子無(wú)義突變,C2CD6(ALS2CR11)、CCIN、C7orf61和DHNA17的錯(cuò)義突變,GGN中的移碼突變[18]。

只在動(dòng)物體內(nèi)獲得證實(shí)的圓頭精子癥的候選基因包括HIat1[19]、Sirt1[20]、GM130[21]、Na+/H+exchanger NHE8[22]、AU040320[23],富含絲氨酸的膜蛋白1等[24];這些純合子突變雄性不育小鼠均表現(xiàn)為精子頂體缺失,頭部圓形、線粒體鞘異常聚集,與圓頭精子癥患者的頭部缺陷較類似。

1.2 無(wú)頭精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

無(wú)頭精子癥的特征是精液中100%精子形態(tài)異常,以頭尾分離多見,有些是頭尾連接異常,該病臨床罕見。SUN5基因與無(wú)頭精子癥相關(guān),SUN5是5種SUN結(jié)構(gòu)域蛋白中的1種,位于精子內(nèi)側(cè)核膜上。有研究發(fā)現(xiàn),SUN5敲除的雄鼠精子頭尾分離,并且不育[25]。SUN5突變患者表現(xiàn)出無(wú)頭精子癥,目前已發(fā)現(xiàn)的SUN5突變包括純合子、復(fù)合雜合子變異等[26-27],SUN5基因變異使SUN5蛋白缺失、顯著減少或截短,導(dǎo)致無(wú)頭精子癥,進(jìn)而引起男性不育。對(duì)攜帶SUN5突變的患者,用精子頭部行ICSI助孕可生出健康的后代。此外,PMFBP1[28]、SPATA6[29]、CEP112[30]、TSGA10[31-32]、BRDT[33]、ACTRT1[34]等基因的突變也會(huì)導(dǎo)致無(wú)頭精子癥。

1.3 大頭精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

大頭精子癥的特征是精子中近100%的精子頭部增大和多鞭毛,臨床罕見。2007年,DIETERICH等[35]率先鑒定出大頭精子癥致病基因AURKC、AURKC屬于Aurora激酶家族,是人類絲氨酸/蘇氨酸激酶的一個(gè)家族,由AURKA、AURKB、AURKC 3個(gè)成員組成,AURKC基因定位于染色體19q13.43,在83.7%的大頭精子癥中能檢測(cè)到AURKC突變,例如AURKC基因c.144delC突變(約占AuRKC突變的85.5%)、C744C>G突變(占13%)、C.686G>A突變、錯(cuò)義突變(c.269G>a)[36-37]。此類患者做 ICSI 時(shí)應(yīng)該行胚胎植入前遺傳學(xué)篩查(preimplantation genetic screening,PGS)以篩除非整倍體胚胎。

1.4 小頭精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

小頭精子癥的特征是精子中有較高比例的精子頭部小于正常范圍。JIANG等[38]報(bào)道了1例有95%的小頭精子的不育患者,該患者的RNF220基因發(fā)生了純合突變,而RNF220蛋白是一種促進(jìn)染色質(zhì)相關(guān)蛋白SIN3轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族成員B(SIN3 transcription regulator family member B,SIN3B)泛素化和蛋白酶體降解的E3連接酶,在染色質(zhì)縮合中起重要作用,該突變通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)相關(guān)蛋白SIN3B的表達(dá)形成小頭精子癥。

1.5 MMAF發(fā)生的分子機(jī)制

2014年,BEN KHELIFA等[39]重新定義了 MMAF,是指多種精子鞭毛形態(tài)學(xué)異常的一類畸形精子癥,包括鞭毛短、卷曲、缺失和口徑不規(guī)則。迄今為止,在MMAF中已鑒定出14個(gè)遺傳致病基因,但僅能解釋約50%MMAF患者的遺傳原因。這些基因包括DNAH1、纖毛和鞭毛相關(guān)蛋白(cilia and flagella-associated protein,CFAP)43、CFAP44、CFAP69、纖維性鞘結(jié)合蛋白2(fibrous sheath interacting protein 2,FSIP2)、CFAP53等,其中DNAH1、CFAP43和CFAP44基因突變約占MMAF患者的1/3,DNAH1突變?nèi)匀皇亲畛Ｒ姷牟∫颉NAH1位于染色體3p21.1區(qū)域,自從發(fā)現(xiàn)MMAF中存在該基因突變以來(lái),許多DNAH1缺失突變位點(diǎn)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),例如第73外顯子52430998CCT>C缺失、外顯子45發(fā)生52409336C>T突變、外顯子73發(fā)生52430998CCT>C突變、外顯子37發(fā)生52402755A>G突變、外顯子67發(fā)生 52428484G>T突變,DNAH1變異[40-41]等。系譜分析也證實(shí)了DNAH1基因突變組合52430998CCT>C和52409336C>T 和 52428484G>T與MMAF相關(guān)[40]。雖然編碼內(nèi)臂重鏈動(dòng)力蛋白的DNAH1 基因純合子突變經(jīng)常出現(xiàn)在MMAF患者中,但DNAH1突變的MMAF患者的精子具有較低的非整倍體率和良好的細(xì)胞核質(zhì)量,ICSI后胚胎發(fā)育良好,妊娠率較高。

此外,CFAP43和CFAP44突變也常導(dǎo)致MMAF表型,例如純合的CFAP43剪接位點(diǎn)變異c.3661-2delA,該變異可能會(huì)導(dǎo)致外顯子30被跳過(guò),從而產(chǎn)生p.E1221_K1256del蛋白,導(dǎo)致CFAP43蛋白的氨基酸重排[42]。WU等[43]研究發(fā)現(xiàn)了4個(gè)新的CFAP43純合子突變,包括1個(gè)移碼突變、1個(gè)無(wú)義突變和2個(gè)錯(cuò)義突變。SHA等[44]對(duì)27例MMAF患者的全外顯子序列分析發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)CFAP44突變和CFAP43受體剪接位點(diǎn)缺失。這2個(gè)基因突變可解釋13%～38%中國(guó)MMAF患者的發(fā)病原因[45]。用CFAP43和CFAP44基因突變精子進(jìn)行ICSI助孕的結(jié)局和普通人群類似。

MMAF其他常見突變還包括CFAP251、CFAP65基因突變等。有研究表明,CFAP251與鞭毛功能有關(guān),可解釋6.6%MMAF患者的發(fā)病原因[46]。CFAP65基因中1個(gè)純合突變可能通過(guò)引起MMAF表型而導(dǎo)致男性不育[47]。FSIP2基因中存在的純合突變也可導(dǎo)致MMAF表型,可解釋4.2%患者的發(fā)病原因[48]。CFAP69定位于鞭毛中段,其基因中純合的移碼突變和無(wú)義突變均在MMAF患者中被發(fā)現(xiàn)[49],雄性CFAP69基因敲除小鼠也表現(xiàn)出MMAF表型,說(shuō)明CFAP69的純合缺失突變可導(dǎo)致人和小鼠的MMAF,可解釋1.2%患者的發(fā)病原因[50]。CFAP70基因編碼一種在人睪丸中表達(dá)的外動(dòng)力蛋白臂調(diào)節(jié)蛋白,CFAP70純合子剪接變異體c.1723-1G>T和CFAP70第3外顯子中錯(cuò)義變異體均會(huì)使CFAP70功能喪失,進(jìn)而導(dǎo)致MMAF[51]。 CFAP47的半合子突變可誘發(fā)X連鎖 MMAF[52]。CFAP58中的雙等位基因缺失變體可導(dǎo)致軸絲和軸絲周圍畸形,從而導(dǎo)致男性不育[53]。DZIP1的純合錯(cuò)義突變c.188G>a(p.Arg63Gln)和c.690T>G(p.Tyr230*)突變可導(dǎo)致一個(gè)家系男性90%以上精子無(wú)鞭毛[54]。DNAH17雙等位基因突變(c.C4445T、p.A1482V、c.C6857T和p.S2286L)(MIM:610063)能導(dǎo)致MMAF的發(fā)生[55]。還有很多基因如DNAH6[56]、QRICH2[57]、SPEF2[58]、ARMC2[59]等也可導(dǎo)致MMAF。

2 多態(tài)性畸形精子癥發(fā)生的分子機(jī)制

多態(tài)性畸形精子癥表現(xiàn)為精液中多于1種以上的畸形精子。有許多基因與多態(tài)性畸形精子癥相關(guān)。例如雄激素受體基因外顯子1(androgen receptor 1,AR1)缺失與畸形精子癥顯著相關(guān)[60];編碼ZPBP1/sp38的精子發(fā)生CDNA錯(cuò)義和剪接突變也會(huì)導(dǎo)致畸形精子癥,發(fā)生率約為3.9%[61]; PRM1-190C→A的單核苷酸多態(tài)性與中國(guó)漢族人的畸形精子癥性不育有關(guān)[62]; ADP-核糖聚合酶11基因缺失可導(dǎo)致畸形精子和雄性不育[63];小鼠睪丸中Spata46基因的缺失可導(dǎo)致精子頭部形狀異常和精卵融合失敗[64];DNAH6的復(fù)合雜合子變異體可導(dǎo)致無(wú)頭和圓頭精子癥[65];Ssp411缺失使精子變形最終導(dǎo)致男性不育[66]; IFT140外顯子16:c.1837G>A:p.Asp613Asn和外顯子31:c.4247G>A:p.Ser1416Asn的復(fù)合雜合子變異表現(xiàn)為頭部、細(xì)胞核和尾部的形態(tài)學(xué)異常[67];CdylcKO雄性小鼠精子形態(tài)發(fā)生方面存在缺陷,成年早期表現(xiàn)為畸形精子癥和進(jìn)行性不孕表型[68];FBXO43的純合子非同步突變(C1991T,p.G 6 6 4D )是導(dǎo)致畸形精子癥的原因之一[69]。Septin12的c.474G>A基因突變有可能導(dǎo)致截短蛋白的異常剪接,最終使精子呈現(xiàn)彎曲尾、去凝聚核和短尾精子缺陷[70]。

3 結(jié)論

男性不育癥的遺傳學(xué)研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域,尤其是具有特異性表型的畸形精子癥的遺傳學(xué)因素不斷被認(rèn)識(shí)。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)精子發(fā)生和成熟相關(guān)基因的了解不斷深入,對(duì)男性不育的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入,這不僅為臨床醫(yī)生更精準(zhǔn)的診療打下理論基礎(chǔ),也為臨床醫(yī)生在輔助生殖技術(shù)當(dāng)中充分評(píng)估子代安全性提供了重要的理論依據(jù)。