北醫三院喬傑團隊在Nature發表克氏綜合徵男性不育機制研究新成果

2024年10月30日，北京大學第三醫院婦產科喬傑/袁鵬/閆麗盈/魏瑗團隊合作在《自然》（Nature）發表了題爲“How the extra X chromosome impairs the development of male fetal germ cells（額外的X染色體如何損害男性胎兒生殖細胞發育）”的研究文章。

該研究以導致男性不育最常見的性染色體疾病——克氏綜合徵（核型47,XXY）爲代表，系統揭示了額外的X染色體導致男性胎兒生殖細胞（Fetal germ cell, FGC）發育異常的分子機制，並且發現了改善該類患者生殖障礙的潛在干預策略，爲其不育症的早期治療提供了理論依據。

論文截圖

生殖細胞正常發育是個體發育及種族繁衍的根本。喬傑院士團隊一直致力於生殖細胞發育調控機制研究，前期工作系統解析了人類生殖細胞從胎兒到成人各階段的發育特徵，建立了不同階段細胞的轉錄圖譜和表觀遺傳圖譜，揭示了生殖細胞正常發育的調控機制（相關研究發表在Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2017; Cell Research, 2017; Cell Stem Cell, 2018; Molecular Cell, 2018; Cell Research, 2021），爲闡明不孕不育的病理機制奠定了基礎。

克氏綜合徵是導致男性不育最常見的遺傳學病因之一，發病率約爲1/600，其染色體核型爲47,XXY，較正常男性（46,XY）多一條X染色體，主要表現爲不育，其生殖細胞在青春期前就大量丟失，伴隨着曲細精管纖維化等病理改變。

既往認爲克氏綜合徵導致的無精子症無法治療，隨着輔助生殖技術的發展，此類患者可以通過睾丸顯微取精術獲得後代。然而，仍然有近一半的患者無法獲得可用的精子。因此，針對克氏綜合徵生殖細胞發育異常的機制研究，將有望爲該類患者提供新的診療策略。

幾十年來，關於克氏綜合徵的研究多聚焦在成人階段（此時生殖細胞已經大量丟失），主要針對性腺內其他體細胞進行了分析，這些體細胞的異常是否與生殖細胞丟失有直接關係，尚無定論。

基於前期研究中發現的人類FGC在早期發育過程中存在X染色體重新激活這一關鍵特徵，團隊提出，克氏綜合徵患者胎兒期的生殖細胞可能已經出現X染色體劑量異常，並可能是其生殖障礙的分子基礎。因此，研究胎兒期的生殖細胞可能是發現發育異常的關鍵，團隊對此開展了深入研究。

研究首先明確了克氏綜合徵患者的生殖細胞在胎兒階段就出現了發育異常，其FGC大多數（約81%）停留在早期階段（正常男性對照中這一比例僅爲15%），而FGC總數與正常男性對照相比沒有顯著差異，提示克氏綜合徵患者的FGC發生了嚴重的發育阻滯，但此時生殖細胞尚未出現明顯丟失。

而後，團隊發現克氏綜合徵患者FGC多能性升高和分化潛能降低是導致其發育阻滯的原因，其中額外X染色體起到關鍵作用：克氏綜合徵患者FGC中兩條X染色體都處於活躍狀態，X連鎖基因的表達劑量遠高於正常男性，導致WNT和TGF-β等通路活性上調，細胞週期過度活躍，阻礙其順利進入有絲分裂靜止階段（晚期階段），最終導致FGC發育阻滯。

此外，克氏綜合徵患者FGC中關鍵基因啓動子的甲基化異常也可能是其發育阻滯的原因。DNA甲基化分析結果還提示，克氏綜合徵早期FGC的全基因組（包括印記基因）甲基化水平降低，而重複元件SVA的甲基化水平升高，這些表觀遺傳異常的意義有待進一步研究。

除了發育阻滯，克氏綜合徵FGC另外一個關鍵異常是遷移受損。既往研究表明，人類FGC在妊娠中晚期需要從睾丸索中心遷移到基底部，以進一步分化爲精原幹細胞，從而形成出生後男性的“生精池”。未能遷移至睾丸索基底部的生殖細胞則因無法完成分化而死亡。

該研究發現，睾丸索中的支持細胞介導了FGC的遷移。然而，在克氏綜合徵胎兒中，支持細胞的遷移能力下降，且與生殖細胞間的互作減弱，最終引起FGC和支持細胞向睾丸索基底部的遷移受損。克氏綜合徵患者FGC發育阻滯和遷移受損最終都會導致其出生後生殖細胞數量減少。

最後，團隊探索了挽救克氏綜合徵FGC發育阻滯的策略，結果顯示，TGF-β抑制劑可以顯著促進克氏綜合徵FGC的分化。這些發現爲早期治療克氏綜合徵不育症提供了重要參考。

克氏綜合徵患者FGC發育異常機制示意圖

綜上所述，本研究揭示了克氏綜合徵患者早在胎兒期就出現了生殖細胞發育異常，並闡明瞭其中的分子機制，提出了改善發育障礙的潛在方法，爲該類患者不育症的早期治療提供了重要的理論基礎。

北京大學第三醫院喬傑教授、袁鵬副研究員、閆麗盈教授、魏瑗教授爲該論文的共同通訊作者，盧永傑博士後、秦萌博士、賀麒龍博士後、花凌月博士和齊心童博士爲共同第一作者。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科協青年人才託舉工程以及北京大學第三醫院臨牀隊列建設項目資助。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08104-6

作者：盧永傑、秦萌