精子表观遗传缺陷与男性不育相关性的研究进展

马国燕 卢 静 张秀青

河北省邯郸市中心医院(东区)生殖医学科(056001)

·综 述·

精子表观遗传缺陷与男性不育相关性的研究进展

马国燕 卢 静 张秀青

河北省邯郸市中心医院(东区)生殖医学科(056001)

近年来，男性精液的总体质量呈明显下降的趋势，男性不育的发病率不断升高，占不孕夫妇比例的20%以上[1-2]。男性不育是一种多因素引起的疾病，其中精子生成与成熟受阻是主要因素，男性不育症约85%属于精子生成障碍，表现为精液质量异常，精子发生低下。越来越多的患者需要通过人类辅助生殖技术技术(ICSI)实现生育愿望。ICSI只需单个精子即可完成受精, 由于避开了自然受精的选择, 具有很较大的遗传风险，可能将染色体畸变、缺失或基因突变等遗传缺陷及表观遗传缺陷传给下一代。表观遗传学是近年来迅猛发展起来的研究领域，它是指核苷酸序列不改变，而基因表达却发生了可遗传的改变，包括DNA甲基化、基因组印记、组蛋白修饰等[3]。表观遗传修饰在精子发生及受精过程中都起着非常重要的作用，精子发生过程中表观遗传修饰异常直接影响精子质量及受精后胚胎的发育，可导致早期流产、胚胎发育和出生后遗传表型的异常[4]。本文就近年来精子的表观遗传学与男性不育相关性进行综述，并对人类辅助生殖技术所带来的遗传风险做简要探讨。

1 DNA甲基化、基因印记与精子发生障碍及胚胎发育的关系

DNA甲基化是一种重要的遗传外修饰，是表观遗传学的重要组成部分。CpG双核苷酸通常聚集在基因启动子部位形成CpG岛，DNA甲基化的研究与CpG岛的研究密不可分，一般认为其甲基化对该基因转录有抑制作用。在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期，其甲基化模式通过大规模的去甲基化和再甲基化过程发生重编排，从而产生具有发育潜能的细胞[5]。从受精到胚胎植入要经历全基因组的重新编程，其中包括甲基化修饰的去除、甲基化模式的重新建立及维持。在精子形成早期，甲基化印迹被擦除，在精子成熟过程中通过重新甲基化又获得印迹，并被保护以维持其正确的剂量效应。但受精后，精原核便开始迅速、主动地第2次广泛去甲基化，即非DNA复制依赖性去甲基化，这种低甲基化状态可以维持到胚胎桑葚期[6-8]。精子DNA甲基化对保证单倍体雄性配子细胞核正常并于卵胞质内触发正常胚胎发育的级联事件是必需的[9]。刘江等人以斑马鱼为模型发现，除了DNA可以从亲代传递到子代，精子的DNA甲基化图谱也可以被遗传到子代，子代继承父源的而抛弃母源的DNA甲基化图谱，该研究颠覆了传统上认为的早期胚胎发育主要是由卵子决定的观念，证明了是精子携带的信息指导胚胎早期发育[10]。精子的表观遗传修饰异常直接影响胚胎的全程发育和人类辅助生殖技术婴儿后天的健康成长。最近一些研究提示，男性不育患者精子DNA甲基化特征发生了很大变化，可预测精子DNA甲基化异常可能和不育相关，并可能遗传给子代造成男性不育[11]。

基因印记是一种依靠单亲传递某些遗传性状的现象，其正确表达对胚胎植入、胎盘形成、器官形成和胎儿生长等至关重要[12]。印记基因IGF2/H19是研究较早的一对相互毗邻的印记基因，在精子发生过程中的甲基化印记模式对精子质量和遗传信息的传递有着重要作用。少精子症、弱精子症及畸形精子症是导致男性不育主要的精子异常因素，而绝大部分男性不育患者同时存在两种或两种以上的异常因素。Boissonnas等[13]通过焦磷酸测序分析正常精液的男性、畸形精子症患者及少弱畸形精子症患者不同甲基化区域的甲基化状态发现，畸形精子症患者存在IGF2基因的印记丢失，少弱畸精子症患者存在严重的甲基化丢失。Poplinski等[14]研究认为，先天性少精子症与IGF2/H19基因的甲基化异常明显相关。有学者研究证明了父源印记基因H19甲基化状态降低可导致精子的生成障碍，精子中H19基因甲基化水平越低，精子异常率越高，H19印记控制区域的DNA甲基化程度的降低与少精子症密切相关，且降低程度与精子浓度呈显著负相关，而与精子活力无关[15]。因此可认为IGF2/H19基因印记的甲基化状态的异常可导致男性不育。印记基因的功能受表观遗传修饰的影响，同时也受如毒素、药物等环境因素的影响。

印记基因的甲基化等表观遗传修饰主要发生在精子发育和种植前阶段，而此期恰为人类辅助生殖技术体外干预阶段，精子和早期胚胎体外培养可能干扰基因组印记的建立和维持[4]。近几年大量研究[6-8]发现人类辅助生殖技术胚胎死亡率、子代的表观遗传病发病率高与印记基因表达异常相关。如果不育患者自身精子印记基因的DNA甲基化修饰异常，可能会传给后代。

2 组蛋白修饰与精子发生障碍及胚胎发育的关系

组蛋白不同的修饰方式在精子发生的不同阶段精确调控着精子发生过程，组蛋白修饰的异常改变会损伤精子的发育过程，导致男性不育[16]。在精子生成过程中染色体结构中90%～95%的组蛋白被鱼精蛋白替换，这是精细胞特有的表观遗传学修饰。正常的鱼精蛋白替换组蛋白的过程保证了精子染色体的高度聚缩和精子运输过程中DNA不被破坏，异常鱼精蛋白的表达会降低精液质量，影响生殖能力[17]。Hammoud等[18]通过比较不育男性和正常男性精子中的组蛋白分布发现，虽然不育男性精子中H3K4me和H3K27me的定位与正常男性相似，但是一些发育转录因子和印记基因的数量显著减少，影响了转录因子和印记基因的表达。

在胚胎发育早期阶段，存在明显的组蛋白修饰不对称，母源性染色体富含甲基化组蛋白(尤其是H3K4me)，父源性染色体上则以组蛋白低甲基化修饰为主。胚胎发育到2细胞时，母源性染色体富含H3K9me3修饰，而在父源性染色体上无该修饰，次期主要是合子基因组的活化，合子基因特定区域的组蛋白同时发生显著的乙酰化。胚胎发育至4细胞，父系母系基因组的组蛋白修饰不对称性逐渐消失。到达胚泡期，第二种不对称的组蛋白修饰发生在内细胞和滋养外胚层之间。转录因子的组蛋白修饰在分裂球向内细胞团或内细胞团发育上也起一定的作用[19-20]。

3 精子发生障碍中非编码RNA调控

近年来，越来越多的研究表明非编码RNA对生殖细胞发育和精子发生过程及早期胚胎发育均起着重要的调控作用。非编码RNA包括小干扰RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)及新发现的与Piwi蛋白相互作用的piRNA。miRNA和siRNA在动、植物的各种组织均有表达，而piRNA其表达具有组织特异性，仅在精子发生过程中的粗线期精母细胞及圆形精子细胞中表达，在精子发生过程中的减数分裂阶段起重要的调控作用[21]。有研究认为piRNA可能是与Ago蛋白家族中Piwi蛋白相互作用形成基因沉默复合体，抑制与精子发生异常的相关基因表达，调控精子发生过程[22]。Gu等通过对490例原发性无精子或少精子症患者与468例正常男性对比发现，Piwi基因的遗传多态性也会导致精子功能缺陷[23]。因此，piRNA在精子发生过程中起到重要的调节作用。piRNA的发现有利于进一步研究精子发生的调控机制，为男性不育的治疗提供一定的分子基础。

4 ICSI应用及其引发的遗传风险

男性不育ICSI有可能将染色体畸变、缺失或基因突变等遗传缺陷以及表观遗传缺陷传给下一代或诱发相关疾病。在临床上针对严重少、弱精子症患者常采用ICSI进行助孕，表观遗传异常的精子避开了自然受精过程中的筛选，具有很大的遗传风险。研究发现在膀胱癌、睾丸生殖细胞肿瘤的发生中H19基因表达及DNA甲基化印记均发生异常[24]，如果将这类患者的精子借助ICSI的方式获得后代，将会给胚胎的质量带来极大隐患，甚至遗传给后代。经ICSI出生的儿童，患韦-伯综合征和巨婴综合征的发生率增高，且患儿体内检测到IGF-2和H19等多个印迹基因的表观遗传修饰异常，因此对ICSI婴儿进行遗传学检测是必要的。

目前常用的遗传学检测方法有染色体核型分析、FISH技术检测精子染色体数目异常、Y染色体上无精子因子微缺失筛查、胚胎植入前的遗传学诊断、产前诊断、新生儿的遗传学筛查及随访等，但这些只能在一定程度上降低遗传病的遗传风险，对ICSI表观遗传缺陷的风险尚无有效的方法[25]。建立精子表观遗传学质量评价，筛选出无表观缺陷的精子进行ICSI，是降低ICSI表观遗传缺陷的有效措施。

5 小结与展望

综上所述，研究评价表观遗传因子与男性不育或胚胎发育之间的关系尚处于起步阶段，表观遗传学领域的研究为父本遗传信息对后代胚胎发育的影响研究及人类辅助生殖技术的应用研究都有重要的意义，为优生优育也提供了新的理论依据。近年来对精子发生的表观遗传修饰研究虽然取得了一些进展，但仍存在许多问题有待于深入研究，通过对精子发生的表观遗传修饰更深入的研究，有助于深入阐明男性不育的发生机制，为男性不育的诊断和治疗提供一个更全面的理论基础，能够针对不同的病因提出更合理的治疗方案。虽然目前尚无基于胚胎期表观遗传修饰改变的临床疾病诊断和治疗，但随着表观遗传学研究的不断发展，必将为人类优生优育开辟新途径。

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[责任编辑：王丽娜]

2015-01-20

2016-02-22