馬國燕 盧 靜 張秀青

河北省邯鄲市中心醫(yī)院(東區(qū))生殖醫(yī)學(xué)科(056001)

·綜 述·

精子表觀遺傳缺陷與男性不育相關(guān)性的研究進展

馬國燕 盧 靜 張秀青

河北省邯鄲市中心醫(yī)院(東區(qū))生殖醫(yī)學(xué)科(056001)

近年來，男性精液的總體質(zhì)量呈明顯下降的趨勢，男性不育的發(fā)病率不斷升高，占不孕夫婦比例的20%以上[1-2]。男性不育是一種多因素引起的疾病，其中精子生成與成熟受阻是主要因素，男性不育癥約85%屬于精子生成障礙，表現(xiàn)為精液質(zhì)量異常，精子發(fā)生低下。越來越多的患者需要通過人類輔助生殖技術(shù)技術(shù)(ICSI)實現(xiàn)生育愿望。ICSI只需單個精子即可完成受精, 由于避開了自然受精的選擇, 具有很較大的遺傳風(fēng)險，可能將染色體畸變、缺失或基因突變等遺傳缺陷及表觀遺傳缺陷傳給下一代。表觀遺傳學(xué)是近年來迅猛發(fā)展起來的研究領(lǐng)域，它是指核苷酸序列不改變，而基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變，包括DNA甲基化、基因組印記、組蛋白修飾等[3]。表觀遺傳修飾在精子發(fā)生及受精過程中都起著非常重要的作用，精子發(fā)生過程中表觀遺傳修飾異常直接影響精子質(zhì)量及受精后胚胎的發(fā)育，可導(dǎo)致早期流產(chǎn)、胚胎發(fā)育和出生后遺傳表型的異常[4]。本文就近年來精子的表觀遺傳學(xué)與男性不育相關(guān)性進行綜述，并對人類輔助生殖技術(shù)所帶來的遺傳風(fēng)險做簡要探討。

1 DNA甲基化、基因印記與精子發(fā)生障礙及胚胎發(fā)育的關(guān)系

DNA甲基化是一種重要的遺傳外修飾，是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分。CpG雙核苷酸通常聚集在基因啟動子部位形成CpG島，DNA甲基化的研究與CpG島的研究密不可分，一般認為其甲基化對該基因轉(zhuǎn)錄有抑制作用。在哺乳動物的生殖細胞發(fā)育時期和植入前胚胎期，其甲基化模式通過大規(guī)模的去甲基化和再甲基化過程發(fā)生重編排，從而產(chǎn)生具有發(fā)育潛能的細胞[5]。從受精到胚胎植入要經(jīng)歷全基因組的重新編程，其中包括甲基化修飾的去除、甲基化模式的重新建立及維持。在精子形成早期，甲基化印跡被擦除，在精子成熟過程中通過重新甲基化又獲得印跡，并被保護以維持其正確的劑量效應(yīng)。但受精后，精原核便開始迅速、主動地第2次廣泛去甲基化，即非DNA復(fù)制依賴性去甲基化，這種低甲基化狀態(tài)可以維持到胚胎桑葚期[6-8]。精子DNA甲基化對保證單倍體雄性配子細胞核正常并于卵胞質(zhì)內(nèi)觸發(fā)正常胚胎發(fā)育的級聯(lián)事件是必需的[9]。劉江等人以斑馬魚為模型發(fā)現(xiàn)，除了DNA可以從親代傳遞到子代，精子的DNA甲基化圖譜也可以被遺傳到子代，子代繼承父源的而拋棄母源的DNA甲基化圖譜，該研究顛覆了傳統(tǒng)上認為的早期胚胎發(fā)育主要是由卵子決定的觀念，證明了是精子攜帶的信息指導(dǎo)胚胎早期發(fā)育[10]。精子的表觀遺傳修飾異常直接影響胚胎的全程發(fā)育和人類輔助生殖技術(shù)嬰兒后天的健康成長。最近一些研究提示，男性不育患者精子DNA甲基化特征發(fā)生了很大變化，可預(yù)測精子DNA甲基化異?？赡芎筒挥嚓P(guān)，并可能遺傳給子代造成男性不育[11]。

基因印記是一種依靠單親傳遞某些遺傳性狀的現(xiàn)象，其正確表達對胚胎植入、胎盤形成、器官形成和胎兒生長等至關(guān)重要[12]。印記基因IGF2/H19是研究較早的一對相互毗鄰的印記基因，在精子發(fā)生過程中的甲基化印記模式對精子質(zhì)量和遺傳信息的傳遞有著重要作用。少精子癥、弱精子癥及畸形精子癥是導(dǎo)致男性不育主要的精子異常因素，而絕大部分男性不育患者同時存在兩種或兩種以上的異常因素。Boissonnas等[13]通過焦磷酸測序分析正常精液的男性、畸形精子癥患者及少弱畸形精子癥患者不同甲基化區(qū)域的甲基化狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，畸形精子癥患者存在IGF2基因的印記丟失，少弱畸精子癥患者存在嚴重的甲基化丟失。Poplinski等[14]研究認為，先天性少精子癥與IGF2/H19基因的甲基化異常明顯相關(guān)。有學(xué)者研究證明了父源印記基因H19甲基化狀態(tài)降低可導(dǎo)致精子的生成障礙，精子中H19基因甲基化水平越低，精子異常率越高，H19印記控制區(qū)域的DNA甲基化程度的降低與少精子癥密切相關(guān)，且降低程度與精子濃度呈顯著負相關(guān)，而與精子活力無關(guān)[15]。因此可認為IGF2/H19基因印記的甲基化狀態(tài)的異?？蓪?dǎo)致男性不育。印記基因的功能受表觀遺傳修飾的影響，同時也受如毒素、藥物等環(huán)境因素的影響。

印記基因的甲基化等表觀遺傳修飾主要發(fā)生在精子發(fā)育和種植前階段，而此期恰為人類輔助生殖技術(shù)體外干預(yù)階段，精子和早期胚胎體外培養(yǎng)可能干擾基因組印記的建立和維持[4]。近幾年大量研究[6-8]發(fā)現(xiàn)人類輔助生殖技術(shù)胚胎死亡率、子代的表觀遺傳病發(fā)病率高與印記基因表達異常相關(guān)。如果不育患者自身精子印記基因的DNA甲基化修飾異常，可能會傳給后代。

2 組蛋白修飾與精子發(fā)生障礙及胚胎發(fā)育的關(guān)系

組蛋白不同的修飾方式在精子發(fā)生的不同階段精確調(diào)控著精子發(fā)生過程，組蛋白修飾的異常改變會損傷精子的發(fā)育過程，導(dǎo)致男性不育[16]。在精子生成過程中染色體結(jié)構(gòu)中90%～95%的組蛋白被魚精蛋白替換，這是精細胞特有的表觀遺傳學(xué)修飾。正常的魚精蛋白替換組蛋白的過程保證了精子染色體的高度聚縮和精子運輸過程中DNA不被破壞，異常魚精蛋白的表達會降低精液質(zhì)量，影響生殖能力[17]。Hammoud等[18]通過比較不育男性和正常男性精子中的組蛋白分布發(fā)現(xiàn)，雖然不育男性精子中H3K4me和H3K27me的定位與正常男性相似，但是一些發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子和印記基因的數(shù)量顯著減少，影響了轉(zhuǎn)錄因子和印記基因的表達。

在胚胎發(fā)育早期階段，存在明顯的組蛋白修飾不對稱，母源性染色體富含甲基化組蛋白(尤其是H3K4me)，父源性染色體上則以組蛋白低甲基化修飾為主。胚胎發(fā)育到2細胞時，母源性染色體富含H3K9me3修飾，而在父源性染色體上無該修飾，次期主要是合子基因組的活化，合子基因特定區(qū)域的組蛋白同時發(fā)生顯著的乙?；?。胚胎發(fā)育至4細胞，父系母系基因組的組蛋白修飾不對稱性逐漸消失。到達胚泡期，第二種不對稱的組蛋白修飾發(fā)生在內(nèi)細胞和滋養(yǎng)外胚層之間。轉(zhuǎn)錄因子的組蛋白修飾在分裂球向內(nèi)細胞團或內(nèi)細胞團發(fā)育上也起一定的作用[19-20]。

3 精子發(fā)生障礙中非編碼RNA調(diào)控

近年來，越來越多的研究表明非編碼RNA對生殖細胞發(fā)育和精子發(fā)生過程及早期胚胎發(fā)育均起著重要的調(diào)控作用。非編碼RNA包括小干擾RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)及新發(fā)現(xiàn)的與Piwi蛋白相互作用的piRNA。miRNA和siRNA在動、植物的各種組織均有表達，而piRNA其表達具有組織特異性，僅在精子發(fā)生過程中的粗線期精母細胞及圓形精子細胞中表達，在精子發(fā)生過程中的減數(shù)分裂階段起重要的調(diào)控作用[21]。有研究認為piRNA可能是與Ago蛋白家族中Piwi蛋白相互作用形成基因沉默復(fù)合體，抑制與精子發(fā)生異常的相關(guān)基因表達，調(diào)控精子發(fā)生過程[22]。Gu等通過對490例原發(fā)性無精子或少精子癥患者與468例正常男性對比發(fā)現(xiàn)，Piwi基因的遺傳多態(tài)性也會導(dǎo)致精子功能缺陷[23]。因此，piRNA在精子發(fā)生過程中起到重要的調(diào)節(jié)作用。piRNA的發(fā)現(xiàn)有利于進一步研究精子發(fā)生的調(diào)控機制，為男性不育的治療提供一定的分子基礎(chǔ)。

4 ICSI應(yīng)用及其引發(fā)的遺傳風(fēng)險

男性不育ICSI有可能將染色體畸變、缺失或基因突變等遺傳缺陷以及表觀遺傳缺陷傳給下一代或誘發(fā)相關(guān)疾病。在臨床上針對嚴重少、弱精子癥患者常采用ICSI進行助孕，表觀遺傳異常的精子避開了自然受精過程中的篩選，具有很大的遺傳風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)在膀胱癌、睪丸生殖細胞腫瘤的發(fā)生中H19基因表達及DNA甲基化印記均發(fā)生異常[24]，如果將這類患者的精子借助ICSI的方式獲得后代，將會給胚胎的質(zhì)量帶來極大隱患，甚至遺傳給后代。經(jīng)ICSI出生的兒童，患韋-伯綜合征和巨嬰綜合征的發(fā)生率增高，且患兒體內(nèi)檢測到IGF-2和H19等多個印跡基因的表觀遺傳修飾異常，因此對ICSI嬰兒進行遺傳學(xué)檢測是必要的。

目前常用的遺傳學(xué)檢測方法有染色體核型分析、FISH技術(shù)檢測精子染色體數(shù)目異常、Y染色體上無精子因子微缺失篩查、胚胎植入前的遺傳學(xué)診斷、產(chǎn)前診斷、新生兒的遺傳學(xué)篩查及隨訪等，但這些只能在一定程度上降低遺傳病的遺傳風(fēng)險，對ICSI表觀遺傳缺陷的風(fēng)險尚無有效的方法[25]。建立精子表觀遺傳學(xué)質(zhì)量評價，篩選出無表觀缺陷的精子進行ICSI，是降低ICSI表觀遺傳缺陷的有效措施。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，研究評價表觀遺傳因子與男性不育或胚胎發(fā)育之間的關(guān)系尚處于起步階段，表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究為父本遺傳信息對后代胚胎發(fā)育的影響研究及人類輔助生殖技術(shù)的應(yīng)用研究都有重要的意義，為優(yōu)生優(yōu)育也提供了新的理論依據(jù)。近年來對精子發(fā)生的表觀遺傳修飾研究雖然取得了一些進展，但仍存在許多問題有待于深入研究，通過對精子發(fā)生的表觀遺傳修飾更深入的研究，有助于深入闡明男性不育的發(fā)生機制，為男性不育的診斷和治療提供一個更全面的理論基礎(chǔ)，能夠針對不同的病因提出更合理的治療方案。雖然目前尚無基于胚胎期表觀遺傳修飾改變的臨床疾病診斷和治療，但隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷發(fā)展，必將為人類優(yōu)生優(yōu)育開辟新途徑。

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[責(zé)任編輯：王麗娜]

2015-01-20

2016-02-22