2024年10月30日，北京大學第三醫(yī)院婦產科喬杰/袁鵬/閆麗盈/魏瑗團隊合作在《自然》(Nature)發(fā)表了題為“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(fā)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——克氏綜合征(核型47,XXY)為代表，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(fā)育異常的分子機制，并且發(fā)現了改善該類患者生殖障礙的潛在干預策略，為其不育癥的早期治療提供了理論依據。

論文截圖

　　生殖細胞正常發(fā)育是個體發(fā)育及種族繁衍的根本。喬杰院士團隊一直致力于生殖細胞發(fā)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(fā)育特征，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(fā)育的調控機制(相關研究發(fā)表在Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2017; Cell Research, 2017; Cell Stem Cell, 2018; Molecular Cell, 2018; Cell Research, 2021)，為闡明不孕不育的病理機制奠定了基礎。

　　克氏綜合征是導致男性不育最常見的遺傳學病因之一，發(fā)病率約為1/600，其染色體核型為47,XXY，較正常男性(46,XY)多一條X染色體，主要表現為不育，其生殖細胞在青春期前就大量丟失，伴隨著曲細精管纖維化等病理改變。

　　既往認為克氏綜合征導致的無精子癥無法治療，隨著輔助生殖技術的發(fā)展，此類患者可以通過睪丸顯微取精術獲得后代。然而，仍然有近一半的患者無法獲得可用的精子。因此，針對克氏綜合征生殖細胞發(fā)育異常的機制研究，將有望為該類患者提供新的診療策略。

　　幾十年來，關于克氏綜合征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系，尚無定論。

　　基于前期研究中發(fā)現的人類FGC在早期發(fā)育過程中存在X染色體重新激活這一關鍵特征，團隊提出，克氏綜合征患者胎兒期的生殖細胞可能已經出現X染色體劑量異常，并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(fā)現發(fā)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征患者的生殖細胞在胎兒階段就出現了發(fā)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為15%)，而FGC總數與正常男性對照相比沒有顯著差異，提示克氏綜合征患者的FGC發(fā)生了嚴重的發(fā)育阻滯，但此時生殖細胞尚未出現明顯丟失。

　　而后，團隊發(fā)現克氏綜合征患者FGC多能性升高和分化潛能降低是導致其發(fā)育阻滯的原因，其中額外X染色體起到關鍵作用：克氏綜合征患者FGC中兩條X染色體都處于活躍狀態(tài)，X連鎖基因的表達劑量遠高于正常男性，導致WNT和TGF-β等通路活性上調，細胞周期過度活躍，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(fā)育阻滯。

　　此外，克氏綜合征患者FGC中關鍵基因啟動子的甲基化異常也可能是其發(fā)育阻滯的原因。DNA甲基化分析結果還提示，克氏綜合征早期FGC的全基因組(包括印記基因)甲基化水平降低，而重復元件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(fā)育阻滯，克氏綜合征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睪丸索中心遷移到基底部，以進一步分化為精原干細胞，從而形成出生后男性的“生精池”。未能遷移至睪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(fā)現，睪丸索中的支持細胞介導了FGC的遷移。然而，在克氏綜合征胎兒中，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和支持細胞向睪丸索基底部的遷移受損。克氏綜合征患者FGC發(fā)育阻滯和遷移受損最終都會導致其出生后生殖細胞數量減少。

　　最后，團隊探索了挽救克氏綜合征FGC發(fā)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征FGC的分化。這些發(fā)現為早期治療克氏綜合征不育癥提供了重要參考。

克氏綜合征患者FGC發(fā)育異常機制示意圖

　　綜上所述，本研究揭示了克氏綜合征患者早在胎兒期就出現了生殖細胞發(fā)育異常，并闡明了其中的分子機制，提出了改善發(fā)育障礙的潛在方法，為該類患者不育癥的早期治療提供了重要的理論基礎。

　　北京大學第三醫(yī)院喬杰教授、袁鵬副研究員、閆麗盈教授、魏瑗教授為該論文的共同通訊作者，盧永杰博士后、秦萌博士、賀麒龍博士后、花凌月博士和齊心童博士為共同第一作者。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科協青年人才托舉工程以及北京大學第三醫(yī)院臨床隊列建設項目資助。

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