Y染色体微缺失与精子异常

早在20世纪70年代,研究者们在部分无精子症男性患者中发现在细胞遗传学水平上可见的大片段Y染色体缺失或重排,而这些变异又总是累及Y染色体长臂1区1带(Yq11),所以认为在Yq11上存在与精子发生相关的基因,缺失将导致无精子,称为无精子因子(azoospermia factor,AZF),后被许多研究者所证实。近年来,应用多重聚合酶链反应等技术,检测Yq11的微缺失,发现一些在细胞遗传学水平不可见的Y染色体微缺失(Y chromosome microdeletions),也可导致无精子或精子发生异常。现已在Yq11上发现三个容易缺损的片段,分别称为AZFa、b、c,也有提出第四个区,即AZFd。Y染色体微缺失被证实是致男性不育的重要遗传学病因,在目前所明确的男性不育遗传学病因中,Y染色体微缺失发生率仅次于Klinefelter综合征。一些国家已经将Y染色体微缺失检查作为不育男性患者,尤其是无精子症和严重少精子症患者的一项重要必查项目。

流行病学

目前,临床所检测的Y染色体微缺失是指经典的AZFa、b、c区完全缺失,这类缺失与无精子症和严重少精子症(<5×106/ml)的关系已被证实。各研究报道的Y染色体微缺失发生率有较大的差别,范围为1%~55%。造成这种差异的主要原因与病例的选取有关,如唯支持细胞综合征患者群体中,Y染色体微缺失达50%以上。还与检测位点的选择有关。另外,不同国家的报道有些差别也提示,Y染色体微缺失发生率和位点可能存在区域和人种的差异。一般认为,在非选择性无精子症和严重少精子症患者群体中,Y染色体微缺失发生率为10%左右。其中,AZFc区缺失最常见,约占总发生率的79%,其次是AZFb区或AZFb+AZFc区缺失,分别占9%和6%,而AZFa区或三个区域同时缺失少见,各占总发生率的3%。

在我国,发生率与此相近,我们检测了2005—2010年武汉同济生殖医学专科医院的1352例无精子症和严重少精子症患者外周血白细胞中Y染色体微缺失情况,共检测了分布于AZFa、b、c区的多个位点,发现162例(11.98%)患者有Y染色体微缺失。其中,AZFc区缺失114例,占总发生人数70.4%; AZFb+AZFc区缺失23例,占总发生人数14.2%;AZFb区缺失7例,占总发生人数4.3%;AZFa区缺失6例,占总发生人数3.7%;AZF三个区域同时缺失12例,占总发生人数7.4%。近期有研究还表明,Y染色体微缺失在习惯性流产患者配偶中有很高的发生率。但在我们所检测的40多例习惯性流产患者配偶中,均未发现Y染色体微缺失。

除了经典的AZFa、b、c区完全缺失外,近年来发现了一些AZF区的部分缺失。AZFa和AZFb区的部分微缺失报道很少,近年研究较多的主要是AZFc区的部分缺失,包括gr/gr缺失、b1/b3缺失、b2/b3、g1/g3缺失。由于这些缺失在精液正常或有正常生育人群中也有发生,且发生率差别与民族、Y染色体单体群(Y chromosomal haplogroups)有关,所以,这些缺失方式到底是不是造成男性不育的病因,目前还在研究和争论中。据我国和一些亚洲国家近期的研究结果,AZFc区的部分缺失在亚洲有较其他地区(如欧美国家)更高的发生率,一般认为大于10%,但与男性不育的关系还持不同意见。我国已有研究表明,gr/ gr缺失与男性不育有关。

发病机制

Y染色体微缺失发生主要为位于长臂5~6区间的AZF区,共有三个区域:AZFa、AZFb、AZFc,其中,AZFb与AZFc有相互重叠的区域。

 AZFa区的基因及缺失机制

AZFa区的基因及缺失机制

近年来,研究者们加强了对Y染色体微缺失的发生机制的研究,并阐明了大部分Y染色体微缺失发生的经典机制——同源重组。同源重组能解释所有的分别发生在AZFa区、AZFb区和AZFc区的全区缺失:在AZFa区发现了两段同源性很高的人类内源性逆转录病毒序列HERV15yq1和HERV15yq2(上图),分别分布在AZFa微缺失的两个断端,大部分的AZFa微缺失是由于这两个人类内源性逆转录病毒序列中的同源系列重组,造成792kb的片段缺失,使AZFa区仅有的两个Y染色体单拷贝基因DBY和USP9Y丢失。AZFb和AZFc区的微缺失也主要是这些区域内分布在回文结构中的、同源性高的扩增子发生同源重组而致(下图):AZFb区缺失主要是由于回文结构P5与P1近端同源重组,造成6.2Mb的缺失和共32拷贝的基因和转录单位的丢失;不育男性发生Y染色体微缺失最常见的是AZFc区全部缺失,其机制是由于回文结构P3中的扩增子b2与P1中的扩增子b4同源重组,造成3.5Mb的缺失和共21拷贝的基因和转录单位的丢失;而AZFb区和AZFc区共同缺失可能有两种重组方式:回文结构P5与P1远端同源重组,造成7.7Mb的缺失和共42拷贝的基因和转录单位的丢失,或回文结构P4与P1远端同源重组,造成7.0Mb的缺失和共38拷贝的基因和转录单位的丢失。

AZFb和AZFc区的基因和转录单位

AZFb和AZFc区的基因和转录单位

同源重组也能解释部分的AZF区部分缺失。AZFc区部分缺失的发生率相对较高,近期研究也较多,Repping等发现了三种AZFc区部分缺失的方式,并阐明了发生的机制(下图)。gr/gr缺失是由于扩增区g1、r1、r2分别与g2、r3、r4同源重组所致,造成AZFc区1.6Mb片段的缺失和共9拷贝的基因和转录单位的丢失。b1/b3缺失是由于扩增区b1与b3同源重组所致,造成AZFc区缺失片段长度也为1.6Mb,共12拷贝的基因和转录单位的丢失。b2/b3缺失的机制稍复杂,有两种可能的机制:一种是先通过g1、r1、r2与g2、r3、r4发生倒位,使b2与b3的方向一致,再由b2与b3发生同源重组;另一种可能是b2与b3发生倒位后再同源重组。这两种方式的结果是一致的,都造成了相同的长1.8Mb片段的缺失。2004年,Fernandes等又报道了另一种AZFc区的部分微缺失,即由g1/g3缺失,缺失长度约2.2Mb。其机制是先发生b2与b3的倒位,使g1与g3的方向一致,然后g1与g3发生同源重组。同源重组解释了迄今所发现的大部分Y染色体微缺失,但仍有小部分发生在AZF区域的部分缺失不能用这种机制解释。

AZFc区结构、基因和转录单位

AZFc区结构、基因和转录单位

一般认为,Y染色体微缺失致男性不育的分子机制主要是Y染色体缺失区域存在与精子发生相关的基因。男性只要一条Y染色体,如果发生缺失就会有相应表型出现。而且,这些基因多为多拷贝基因,可能存在数目叠加效应,单个拷贝的缺失可能就会影响基因功能的发挥。虽然随着基因组计划的完成,目前已经确定了AZF各区的基因和转录单位,对这些基因的表达及功能也有所了解,但是还不能确定AZF区缺失后,是哪几个基因的丢失影响了精子发生。对这些基因功能的进一步研究将是阐明Y染色体微缺失致男性不育和表型的分子机制的主要途径。另一个不明确的是AZFc区各种部分缺失,将造成基因和转录单位的丢失,但这些微缺失,在某些Y染色体单体群中不影响精子发生和生育力,这也提示了可能有其他的代偿性机制的存在。AZFc区全缺失患者睾丸有多种表型,也提示了这一点。

AZF各区的基因

AZF各区的基因
AZF各区的基因

AZFc区全缺失和部分缺失后的基因及转录单位数目

AZFc区全缺失和部分缺失后的基因及转录单位数目

由于大部分Y染色体微缺失将导致不育,就意味着这种遗传缺陷并非来源于父亲。这种缺陷的来源,也就是在精子中为什么会产生这种遗传缺陷呢?目前说法不一。有人认为Y染色体的缺失发生较其他染色体容易,是因为:精子的形成过程比卵子发生过程具有更多的突变机会,Y染色体始终处于这个环境中。而在卵子发生中,X染色体和所有的常染色体只需一半的时间存在于这个不利的环境;X染色体和所有的常染色体的基因在有丝分裂期间与对等数量的DNA配对时,能够进行DNA的修复,而Y染色体不能进行这种修复。也有学者认为Y染色体微缺失是一种随机事件,是遗传或环境等因素所致。

诊断

随着对Y染色体微缺失研究的广泛开展与深入,研究已经表明经典的AZF区微缺失与患者睾丸表型有些联系。AZFa区微缺失多为AZFa区全部缺失,表现为无精子症和唯支持细胞综合征。唯支持细胞综合征患者AZFa区的微缺失高达55%。AZFa区微缺失也有部分缺失而只导致DBY或USP9Y单个基因的报道,患者睾丸的表型多样化,但这种缺失形式还未被较多的研究证实。AZFb区全部缺失,或AZFb和AZFc同时缺失时,患者表型同AZFa区全缺相类似,表现为精子发生停滞和唯支持细胞综合征,但在少数报道及我们临床上,严重少精子症患者可以出现AZFb区缺失。AZFc区缺失的患者临床和睾丸组织学表型多样化,一般多有精子发生,甚至能使妻子自然受孕而遗传给下一代,但这种情况很少见,仅见个案报道,绝大部分AZFc区缺失的患者表现为无精子或严重少精子。

了解经典的AZF区微缺失与患者睾丸表型的联系及患者精液情况,对于确定进行Y染色体微缺失检查的对象有一定的指导意义,即主要检查对象为无精子症和严重少精子症患者,尤其是未找出解释无精子和严重少精子其他病因的患者。但另一方面,由于AZFc区缺失最多见,约占总发生率的79%,而此区缺失的患者临床和睾丸组织学表型多样化;而且Y染色体是100%会遗传给雄性子代的,所以,对于男性不育患者,尤其是病因不明的患者,为了后代的健康,均需行Y染色体的检测,特别是在实行精子卵细胞胞质内注射(intracytoplasmic sperm injection,ICSI)、体外受精-胚胎移植(in vitro fertilizationembryo transfer,IVF-ET)治疗之前。对于不明原因的女性习惯性流产,男方也有必要进行这种检测。Y染色体微缺失在正常生育人群及精液常规检查正常人群发生率很低,如有需要,也可检查。

Y染色体AZF区部分微缺失到底会不会影响精子发生目前还未最终确定,各国暂时还没有将其纳入检查范围。近期有报道有些类型的AZFc区部分微缺失虽然可能不会影响生育力,但会遗传给下一代,而增加子代发生AZFc区全缺失的发生率,所以,有学者建议将其纳入临床检查范围,结果供医生和患者参考。

Y染色体微缺失的确诊依赖于分子生物学方法。目前,用于临床Y染色体微缺失的检查方法主要包括PCR、DNA芯片技术。DNA芯片技术具有高通量的优点,但成本高。目前应用最多的是多重PCR。位点的选择一般应用欧洲男科学会和欧洲分子遗传学质量控制体系推荐位点,共有六个位点,AZFa、AZFb和AZFc区各两个(下图)。考虑到可能存在的地区、种族、民族的差异,可以增加位点。AZFc区的部分缺失,包括gr/gr缺失、b1/b3缺失、b2/b3缺失、g1/g3缺失,检查位点及判断见下表。

 EAA、EMAQ推荐位点及分布

EAA、EMAQ推荐位点及分布

AZFc各种部分微缺失检测位点及结果

AZFc各种部分微缺失检测位点及结果

治疗

AZF区域微缺失与表型的联系对于治疗有指导性意义:首先,这种检查揭示了患者的病因,也同时表明了一般的提高精子质量药物治疗的效果会受限制。另一方面,这种患者往往需要利用辅助生殖技术,有Y染色体微缺失的患者需要选择后代的性别。Y染色体微缺失的发生区域对辅助生殖技术也有指导:一般认为,AZFa区、AZFb区发生全部缺失的患者,以及一些AZFc区微缺失的患者,由于睾丸内无精子产生,故不推荐做睾丸穿刺取精和ICSI;对于AZFc区微缺失而睾丸内有精子产生的病例,可考虑睾丸穿刺取精和ICSI,但同时也要考虑成功率和微缺失的可遗传性。

Y染色体微缺失这种遗传缺陷可以100%遗传给雄性子代,导致子代不育,特别是辅助生殖技术的发展,会使这种遗传更为常见。但目前还没有治疗方法能纠正这种遗传物质的异常。所以,即使这些患者睾丸中有精子,还需要进行性别选择,即选择女儿而避免将Y染色体遗传给下一代,这种途径的成功率和经济负担是医生和患者都需要考虑和准备的。我们认为,应将这一类患者纳入供精人工授精的适应证中。

虽然从理论上讲,质量药物治疗的效果会受限制,但还是可以配合辅助生殖技术的应用。新近Selman等报道了一个DAZ、BPY2和CDY1基因缺失的32岁特发性无精子症患者,睾丸精子发生停滞于精母细胞阶段,用促性腺激素治疗后有精子产生,并顺利通过ICSI技术使其妻生出两个健康的女婴。因此,对于有Y染色体微缺失的无精子症患者治疗,值得进一步研究。

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