我国科学家发现人Piwi基因突变致男性不育

许多研究PIWI的动物模型中都证明了PIWI对生殖细胞发育的分化的重要作用 ，然而PIWI在人类生殖细胞发育分化中的功能并不清楚 。文章检测了413例无精症患者Piwi基因上一个在脊椎动物中十分保守的D-Box序列中是否存在突变 。测序结果发现了3例无精症患者身上存在Piwi D-Box突变 。生化实验检测发现这类突变导致了PIWI蛋白泛素化缺陷 ，但是不影响PIWI对靶RNA分子的切割作用以及piRNA-loading的功能 。Piwi D-Box突变不仅导致MIWI突变体蛋白在细胞质中的累积 ，而且抑制了RNF8泛素连接酶入核 ，从而影响精子发生过程中组蛋白的泛素化以及进一步的“组蛋白-鱼精蛋白替换”过程 。这项研究的重要意义在于首次发现人类Piwi基因突变可导致男性不育 ，深入揭示了其致病机理 ，并为相关男性不育症的精准医疗提供了理论基础和方法策略 。

在国家自然科学基金（项目编号 ：31325008 ，91640201 ，91419307）等资助下 ，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所刘默芳研究组与上海市计划生育科学研究所施惠娟研究组合作在Piwi基因突变致男性不育研究中取得重要进展 。相关研究成果以“Ubiquitination-deficient Mutations in Human Piwi Cause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchange during Spermiogenesis”（拮抗泛素化的人Piwi基因突变 ，通过阻止精子变形过程中鱼精蛋白对组蛋白的置换 ，导致男性不育）为题于2017年5月25日在线发表在Cell上 。论文链接 ：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30488-9 。

　　近年来 ，随着全球人口出生率持续缓慢增长及人口老龄化加剧 ，不孕不育已逐渐由单纯的医学问题演变为备受关注的社会问题 。据不完全统计 ，在我国的不孕不育夫妇中 ，男性因素约占50% ，非梗阻性无精 、弱精及精子畸形是造成男性不育的重要原因 ，但其致病原因及机制还不甚了解 ，导致临床诊断和治疗策略极其有限 。Piwi基因是在动物中进化保守的Argonaute亚家族成员 ，特异性地在动物生殖系细胞中表达 。在高等动物中 ，Piwi则主要在雄性生殖细胞中表达 。PIWI蛋白质特异性地结合一类被称为piRNA的小分子非编码调控RNA ，形成piRNA/PIWI功能复合物 ，通过沉默生殖系细胞中的转座元件及调控其它下游靶RNA分子 ，维持生殖细胞基因组稳定 ，为动物生殖细胞发育分化所必需 。在小鼠中敲除Piwi基因致雄性不育 ，但对雌性个体的生育则无明显影响 。人基因组共编码了4个PIWI蛋白 ，均在睾丸组织高表达 ，但到目前为止 ，关于PIWI蛋白在人类精子发生中的功能还未见任何报道 ，对Piwi基因突变在男性不育症发生中的作用也几乎是一无所知 。

　　刘默芳与施惠娟研究团队从筛无精 、弱精症患者中鉴定到拮抗HIWI蛋白泛素化修饰降解的D-box突变 ，将此类突变条件型敲入小鼠Piwi基因（Miwi），导致小鼠雄性不育 ，少精 ，精子形态异常 、细胞核结构疏松、无活力 。研究揭示 ，D-box突变使MIWI蛋白不能被泛素化修饰降解 ，导致MIWI蛋白异常积累在后期精子细胞中 ，造成组蛋白泛素连接酶RNF8被MIWI扣留 、不能入核 ，进而抑制了组蛋白泛素化修饰及组蛋白-鱼精蛋白交换的启动 ，使得精子变形受阻 。而阻断MIWI对RNF8的扣留可逆转组蛋白-鱼精蛋白交换 ，恢复精子活动能力 ，这一策略可用于治疗这类无精症/少弱精症 。这项研究成果首次证明Piwi基因突变可致男性不育 ，并为这类不育症的早期分子诊断及临床治疗提供了理论依据和方法策略 。

　　该项研究工作是一项从人类遗传学到动物模型 、分子机理及至治疗策略探索的系统研究 ，得到了美国加州大学圣地亚哥分校付向东教授 、上海交通大学附属第一人民医院李峥教授 、中科院生化与细胞所李党生研究员 、李劲松研究员和吴立刚研究员等的大力协助 。