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日凌晨，在線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家族的蛋白髮揮了什麼作用？

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，在其細胞核里，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組蛋白髮生了泛素化，「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。

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