生殖细胞的正常发育是维持生育力的根本。乔杰院士团队一直致力于生殖细胞发育调控机制研究,前期工作系统解析了人类生殖细胞从胎儿到成人各阶段的发育特征,初步揭示了生殖细胞正常发育的调控机制(Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2017; Cell Research, 2017; Cell Research, 2021; Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 2022),发现女性胎儿生殖细胞(fetal germ cell,FGC)中X染色体重新激活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于男性,而男性FGC中的X连锁基因表达剂量不仅低于女性FGC,还低于男性自身的性腺体细胞,提示不同类型的细胞对X连锁基因表达剂量的需求存在差异。
然而,X连锁基因的表达剂量如何调控FGC发育,尤其是当X连锁基因表达剂量异常时如何影响FGC发育,有待系统解析。克氏综合征是研究这一重要科学问题的天然模型,其核型为47,XXY,较正常男性多一条X染色体,是导致男性不育最常见的遗传学病因之一,其发病率约为1/600。克氏综合征患者生殖细胞在青春期前就大量丢失,成年后主要表现为无精子症,伴随着曲细精管纤维化和透明化等睾丸组织病理改变。但额外的X染色体是如何导致克氏综合征患者生殖细胞发育异常和丢失的,是生殖医学领域尚未解决的科学难题。既往研究通常聚焦于成年克氏综合征患者(此时生殖细胞大量丢失),发现其性腺内体细胞存在发育异常。但这些体细胞的异常是否与生殖细胞丢失有直接关系尚无定论,克氏综合征患者生殖细胞发育异常的分子机制一直未被揭示。
2024年10月30日,北京大学第三医院妇产科乔杰/袁鹏/闫丽盈/魏瑗团队合作在Nature发表了题为How the extra X chromosome impairs the development of male fetal germ cells的研究文章。该研究以生殖细胞大规模丢失前的胎儿阶段为切入点,全面解析了克氏综合征患者FGC的发育特征和相关分子改变,揭示了X染色体的活性状态、转录特征以及介导FGC发育异常的分子机制,探讨了改善克氏综合征患者FGC发育异常的潜在方法,为提高克氏综合征患者生育力带来了新的希望。
该研究发现,在克氏综合征胎儿性腺中,额外的X染色体并不会改变性腺内细胞的命运,其胎儿生殖细胞(FGC)的主要异常是发育阻滞:在正常男性对照中仅有约15%的FGC处于早期阶段,克氏综合征中这一比例则高达81%,两者间FGC总数没有显著差异,说明此时生殖细胞还没有明显丢失,其异常主要表现为阻滞在早期发育阶段。研究团队进一步揭示了导致发育阻滞的基因表达紊乱:克氏综合征患者FGC高表达多能性基因、早期FGC基因、有丝分裂基因、WNT通路基因、TGF-β通路基因,同时低表达与FGC分化相关的基因,如减数分裂基因、piRNA代谢基因以及X连锁的癌/睾基因(CTX基因)等。
团队进一步探索了额外的X染色体在克氏综合征患者FGC发育阻滞中的作用。该研究发现,人类FGC,包括克氏综合征(47,XXY)、正常女性(46,XX)以及超雌综合征(47,XXX)的FGC,均不发生X染色体失活。利用自主开发的RNA/DNA/蛋白三重荧光原位检测技术(Triple in situ fluorescence detection of RNA, DNA and protein, TISF)和空间统计学算法,作者发现人类FGC中X染色体未失活的原因可能包括XIST无法结合到X染色体以及XACT对XIST的拮抗作用等。克氏综合征患者FGC中X染色体未失活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于正常男性,过度激活了WNT和TGF-β等通路,并且使细胞周期更加活跃,阻碍其顺利进入有丝分裂静止阶段(晚期阶段),最终引起FGC发育阻滞。
FGC发育的关键特征之一是表观遗传重编程,如全基因组DNA甲基化的大规模擦除。团队接下来研究了克氏综合征患者FGC的基因组甲基化特征,发现克氏综合征早期FGC的基因组甲基化擦除更加彻底,包括印记基因。相反,重复元件SVA却表现出比对照更高的甲基化水平。此外,FGC分化关键基因(如CTX基因)的甲基化异常可能参与了克氏综合征患者FGC的发育阻滞。
FGC的发育受到周围体细胞的精确调控,尤其是与之直接接触的支持细胞。作者发现克氏综合征胎儿支持细胞也出现发育异常,且与细胞迁移和运动相关的基因下调,导致支持细胞-FGC间参与细胞迁移的SEMA7A-ITGB1、CDH2-CDH2、JAM2-JAM3互作减弱,最终引起晚期FGC和支持细胞向睾丸索基底部的迁移受损。而既往研究表明,无法正常迁移的FGC将因为无法分化为精原细胞而死亡。
这项研究最后探索了挽救克氏综合征患者FGC发育阻滞的可能措施。研究结果表明,在相同培养条件下,正常男性的FGC在体外能够有效分化,但克氏综合征患者的FGC无法继续分化。值得注意的是,经TGF-β抑制剂处理后,克氏综合征患者FGC的分化得到了显著改善,这为治疗克氏综合征患者生殖障碍提供了重要线索。
综上所述
该研究发现克氏综合征患者的FGC中额外X染色体未发生失活,导致X连锁基因表达上调,这些基因过度激活了WNT通路和TGF-β通路,同时使细胞周期更加活跃,阻碍了FGC的正常分化,使大多数FGC停留在早期阶段;另一方面,克氏综合征胎儿支持细胞和晚期FGC之间的互作异常,影响了晚期FGC向睾丸索基底部的迁移;克氏综合征患者FGC的发育阻滞和迁移受损,将导致后续阶段的生殖细胞(精原干细胞)数量减少,这可能是克氏综合征患者出生后生殖细胞减少的重要原因;体外研究还发现TGF-β通路抑制剂可以显著改善克氏综合征患者FGC的发育阻滞。本研究为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解,为早期治疗提供了重要的理论依据。
文章来源:本图片和文字源于北京大学第三医院公众号
责编:YuTing