动物研究所揭露Sun5万分导致无头精子症分子机制,笔者校生殖农学团队首次发现人类无头精子症致病基因

通过对无头精子症患者进行外显子测序发现了SUN5基因10个位点的突变,无头精子症是最严重的一类畸形精子症,该研究成果首次发现人类无头精子症致病基因

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精子作为携带雄性遗传物质的关键载体,其形态、活力、完整性对雄性生殖力至关重要。人类无头精子症的报道已有几十年历史,典型症状是精液中精子只具有能运动的尾部及小团胞质,从而导致男性不育。中国科学院动物研究所李卫研究组通过CRISPR/Cas9技术构建SUN5敲除的小鼠,发现SUN5的缺失不影响雌性生殖力,却导致雄鼠不育。初步研究发现,缺乏SUN5的精子与人类的圆头精子症非常相似。进一步研究发现,这些精子的头部没有顶体也没有细胞核。因而事实上是一类无头精子,所有“精子”只含有能够摆动的尾部及未移除的少量胞质。经过小鼠模型中的超微结构观察发现,SUN5缺失之后,尽管精子头尾连接装置(Head
to tail coupling apparatus,
HTCA)可以正常组装,但在精子变形之初HTCA就从精子核膜植入窝(implantation
fossa)处分离。随着精子不断延长,最终HTCA连同精子尾巴一起从精子头部脱落,产生没有受精功能的无头精子。该小鼠模型的表型与一些人类无头精子症高度类似。研究发现,SUN5精确定位在精子头尾连接处,并且这一定位在人、小鼠及多种哺乳动物中高度保守。

精子们是一群游泳健将,他们都希望能在“游泳锦标赛”中拔得头筹,这样就可以与卵子结合,繁育后代。但是,有这样一些精子,他们即使获得了冠军,却领取不了繁育后代的“奖品”。这是因为他们生病了,他们虽然长了脑袋,但是却没有大脑——细胞核,因而叫做“无头精子”。

10月6日,国际著名遗传学杂志《美国人类遗传学杂志》(The American Journal
of Human Genetics,
AJHG)最新一期上发表了我校第一附属医院生殖医学中心、生殖遗传学研究所及安徽省生命资源保存与人工器官工程技术研究中心曹云霞团队的最新研究成果。该研究成果首次发现人类无头精子症致病基因,为人类无头精子症的精确诊断、遗传咨询以及生育选择提供了理论依据。
目前将近15%的夫妻面临不孕不育症所带来的痛苦,其中50%是由男方因素所致,而导致男性不育的主要原因之一是畸形精子症。无头精子症是一种非常严重而罕见的畸精症。自1981年第一个人类无头精子症病例报道以来,国际上陆续报道了20多个无头精子症病例,但仍未发现任何基因的突变与人类该表型相关。本研究中,在17个家系中,我校生殖医学中心朱复希博士为主导的男科研究组发现了其中8个家系中存在SUN5基因的纯合或复合杂合突变,共发现10个不同位点的突变。已知SUN5蛋白在睾丸中特异性表达,而在其他组织中几乎无表达;在成熟精子中SUN5特异性定位在头尾连接部位。课题组通过Western
blot和免疫荧光实验比较正常人和几个患者成熟精子中SUN5蛋白的丰度及定位,
证实SUN5基因突变导致患者成熟精子中该蛋白表达量显著降低甚至缺失,并影响SUN5蛋白在精子头颈连接区域的表达定位。该研究结果揭示了:SUN5基因突变是导致人类无头精子症的主要致病原因,是所研究队列的47.06%
的成因。SUN5基因也是我们发现的世界上第一个参与人类无头精子症发病分子机制的基因。
该研究得到了我校生命科学院、南京医科大学第一附属医院临床生殖医学中心以及澳大利亚阿德莱德大学医学院Gecz
Jozef教授的积极参与及大力支持。

同时,安徽医科大学曹云霞研究组在临床研究中,通过对无头精子症患者进行外显子测序发现了SUN5基因10个位点的突变。实验动物模型和临床发现均提示,SUN5突变很可能是无头精子症的重要致病因素。由于这类精子依然能够运动,极易与临床上的另一类畸形精子症——圆头精子症混淆,因而将此类无头精子症命名为“伪圆头精子症”,以提醒在临床上切勿将此类无头精子症与圆头精子症混为一谈,从而造成错误诊断和错误治疗。在此基础上,研究人员通过仔细寻找不能运动的精子头部而不是能够运动的精子尾部,利用这些脱落的精子头使卵子受精,最终产生健康的后代,从而克服了困扰这一类不育患者的难题。该项研究来源于临床科学问题,通过基础研究手段进行了系统解答,并最终返回到临床上解决了部分男性患者的不育难题。

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附:

相关研究近日发表在eLife杂志上,研究工作获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。

绘本《小威向前冲》截图

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这是怎么回事?先从精子和卵子结合的要求说起吧。我们熟悉的精子就像小蝌蚪,椭圆的头部拖着一条长长的尾巴。精子头是精子的核心部件,内部含有DNA,其上方覆盖有顶体,负责精子与卵子的融合。精子头部或顶体的畸形都会导致精卵不能识别,出现雄性不育,即畸形精子症。无头精子症是最严重的一类畸形精子症,因其内部不含DNA,完全丧失了使卵子受精的可能。也就是说,这些“无头精子”的头部缺失了DNA信息,而DNA是父亲遗传信息传递给孩子的载体,也是完成受精过程的必要条件,所以这些精子也就领取不了繁育后代的“奖品”了。

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从光学显微镜下观察,“无头精子症”很容易和另一种畸形——“精子症-圆头精子症”混淆,二者都有类似头部的结构,但是,“无头精子”没有顶体,也不含DNA。如果一定要把无头精子顶端的一团物质也叫精子头的话,那无头精子被称为“无脑精子”也许更合适,因为他们缺乏了头部的核心内容物——DNA。最能将无头精子与其他畸形精子区分开的是透射电子显微镜的观察,凡是有核的精子,其头部DNA都成电子致密性,在电子显微镜下呈现均匀的黑色。而无头精子内部只有杂乱的细胞器如线粒体等,没有DNA物质。

Sun5缺失导致精子身首异处模式图

无头精子早在1981年即被确认,困扰了不少家庭。30多年里,人们对其致病机理所知甚少,在诊疗上常被误认为圆头精子,不能通过常规的辅助生殖手段圆这类患者的生宝宝梦想。

最近,中国科学院动物研究所李卫研究组与安徽医科大学曹云霞团队合作,解析了人无头精子症的致病机制。科学家证实,一种名为“SUN5”的蛋白在这个过程中起了重要作用。SUN5蛋白定位在精子头尾连接的部位,负责将精子头和尾整合到一起,SUN5的突变或缺失会直接导致无头精子症的产生。

李卫研究组研究了SUN5基因敲除后的小鼠。他们发现该小鼠的精子头部呈圆形,且不育。进一步研究发现,这些精子其实不含DNA,属于典型的无头精子。在精子中负责头尾连接的是一个专门装置,称为“头尾连接装置”(Head
to tailcoupling apparatus,
HTCA)。HTCA上连精子头,下接精子尾。研究发现,SUN5缺失的精子HTCA可以正常组装,却不能锚定到精子头,于是HTCA和精子尾一起从精子头脱离,产生了无头的精子。证据表明,SUN5就定位在精子头和尾相连的部位,负责二者的连接。

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SUN5的缺失导致小鼠产生无头精子

同时,曹云霞团队利用外显子测序技术,在大量无头精子症患者中发现了SUN5基因的10个突变。从临床和实验两个方面的证据都证明,SUN5是负责精子头尾连接的关键原件,它的缺失或突变都能导致无头精子的产生。无头的精子是不能使卵子受精的,但在无头精子症患者的精液中含有极少量的头尾连接、严重弯折的精子以及脱落的精子头,该团队利用这些极少量的精子头使卵子受精,让患者拥有了自己的宝宝。

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SUN5的缺失导致小鼠精子头尾分离模式图

研究从临床问题出发,通过基础研究手段进行了系统解答,并最终返回到临床上解决了部分男性患者的不育难题。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。