科学家发现人类Piwi基因突变导致男性不育

刘默芳研究员正在向媒体记者介绍相关研究成果。

中国科学院生物化学与细胞生物学研究所刘默芳课题组与上海市计划生育科学研究所石慧娟课题组合作研究，首次发现人类Piwi基因突变可导致男性不育，并进一步揭示其发病机制，为男性不育的早期分子诊断和准确医学治疗提供理论依据。5月26日清晨，国际知名学术期刊《细胞》在网上公布了研究结果。

据报道，该研究成果得到了《细胞》编辑部和三位评论家的高度评价。中国科学院王恩度院士表示，这项研究工作是从人类遗传学到动物模型、分子机制和治疗策略探索的系统研究，代表了遗传学研究的新高度和新深度。

近年来，随着全球出生率持续缓慢增长和人口老龄化加剧，不孕症已逐渐从一个纯粹的医学问题演变为一个备受关注的社会问题。据不完全统计，男性因素占我国不孕夫妇的50%左右。非梗阻性无精子症、弱精子症和精子畸形是男性不育的重要原因，但其发病机制和机制尚不清楚，临床诊断和治疗策略极其有限。

研究员刘默芳告诉记者，在高等动物中，Piwi基因主要位于雄性生殖细胞中。以前的研究表明，消除小鼠的Piwi基因会导致雄性不育，但对雌性个体的生育力没有明显影响。Piwi基因家族的四种蛋白产物在人类男性睾丸组织中具有“活性”。然而，到目前为止，这些蛋白质在人类精子形成中的功能和机制还没有报道，研究人员对Piwi基因突变在男性不育中的作用知之甚少。

在这项研究中，郭兰涛博士和他的同事康、、和李锋在研究员刘默芳的指导下，将研究对象锁定在一个名为Hiwi的人类Piwi基因上。在筛选了413例无精子症和弱精子症的临床病例后，在其中3例中发现了该基因的关键元件D-box的突变。研究人员通过动物实验进一步证实，携带基因突变的雄性小鼠不能繁殖后代。虽然它们仍能产生少量精子，但这部分精子形态异常，头部结构松散，没有活力，其疾病表型与患者完全一致。通过对患者亲属的基因检测，发现这种突变可以来自个体基因的自发突变，也可以由母亲遗传。

在人类细胞中，DNA和它的“功能伙伴”——组蛋白是不可分的，精子需要用“惰性”成分——鱼精蛋白来代替DNA上的这种“活性”成分(组蛋白)，鱼精蛋白可以极大地压缩和“保护”DNA遗传信息，以帮助高度折叠父代遗传物质并将其安全地储存在精子头部，从而确保遗传物质在受精过程中“高效”和“高保真”地传递给后代。在细胞核中，完成上述“单键转换”功能的“分子开关”是一种叫做RNF8的泛素连接酶。机制研究表明，Piwi基因的蛋白产物(PIWI蛋白)具有“滞留”核外RNF8的功能。正常小鼠体内的PIWI蛋白在精子发育的后期会自然降解，因此RNF8在“解开”后会进入细胞核，开启“一键转换”程序，帮助精子发育完成。然而，在Piwi基因“D盒”元件突变的小鼠中，PIWI蛋白在后期不能正常代谢，从而导致大量RNF8“滞留”在细胞核外，阻碍鱼精蛋白和组蛋白的交换，导致精子数量急剧减少，精子头部结构异常，精子活力完全丧失。

根据这一发现，研究人员在将一段RNF8截短多肽导入突变小鼠的精子细胞后，可以有效阻断RNF8被Piwi基因蛋白产物“滞留”，从而逆转精子细胞中鱼精蛋白和组蛋白之间的交换屏障，恢复精子的正常形态和游泳能力，这一策略对临床治疗此类无精子症和弱精子症具有重要的理论参考价值。

据悉，本次研究得到了美国加州大学圣地亚哥分校傅向东教授、上海交通大学第一人民医院教授、中国科学院上海生命科学信息中心李研究员、生化细胞研究所研究员和吴立刚研究员的协助。财政支持来自国家基金委员会、国家科技部、中国科学院和上海市科学技术委员会。这项工作的数据采集也得到生物化学与细胞研究所公共技术服务中心的动物实验技术平台、分子生物学平台和细胞生物学平台的支持。