表观遗传学与精子异常

表观遗传学改变与精子异常的关系

精子发生过程中表观遗传学的正确调控至关重要,不仅维持精子的正常功能,并且确保胚胎的正常发育。不育男性表观遗传模式的改变会使体外受精出生婴儿早产、体重降低、先天性疾病、围产期死亡率及其他妊娠相关并发症增加。精子发生过程中印记基因异常可通过辅助生殖技术(assisted reproductive technology,ART)传递给下一代,引起一些临床性疾病,包括Beckwith-Weidemann综合征(Beckwith-Weidemann syndrome,BWS)、Angelman综合征(Angelman,s syndrome,AS)。另外,近年来发现精子表观遗传的异常与非梗阻性无精子症、梗阻性无精子症、少精子症、畸形精子症、少弱畸形精子症、特发性不育具有相关性。

不同类型表观遗传学改变引起的精子异常

DNA甲基化

精子不同基因的异常甲基化可能导致精液参数异常和男性不育,这种异常的甲基化可发生在整个基因组或局限于某一特定基因。Houshdaran等对65例不育男性的研究表明,不育男性质量差的精子出现基因的广泛超甲基化,这些表观遗传改变可能与生殖细胞在DNA甲基化擦除时出现异常有关。其中,非印记单拷贝基因PAX8、NTF3、SFN和HRAS等甲基化水平升高与不育男性精子浓度、活力和形态等参数降低明显相关。这一结果表明,印记基因以外的基因甲基化异常可能是某些男性不育的关键病因。但是,单纯对基因甲基化水平与精液参数进行相关分析无法对不同类型男性不育进行病因学诊断。最近,有学者对亚甲基四氢叶酸还原酶(the Methylenetetrahydrofolate reductase,MTHFR)DNA在不同类型不育男性甲基化水平进行研究,其中一项研究对32例非梗阻性无精子症患者和5例精子发生正常的梗阻性无精子症患者的睾丸活检组织DNA进行MTHFR启动子甲基化比较,发现非梗阻性无精子症患者睾丸活检组织MTHFR甲基化比例为53%,而梗阻性无精子症患者均未出现MTHFR甲基化。

另一研究对94例特发性不育男性和54例生殖正常男性精子DNA MTHFR启动子甲基化情况进行分析,并对特发性不育男性精子浓度正常组和少精子症组精子DNA MTHFR甲基化水平进行比较,结果显示特发性不育男性MTHFR甲基化比例为正常男性的3倍,分别为45%和15%;不育男性中精子浓度正常组与少精子症组MTHFR甲基化比例分别为40%和45.4%。以上研究表明MTHFR甲基化与非梗阻性无精子症和特发性不育明显相关,有可能应用于临床非梗阻性无精子症和特发性不育人群筛查和辅助诊断。

基因印记

建立精确的基因组印记对精子生育力的维持至关重要,在大量不同类型男性不育疾病中已发现父系和母系的基因印记缺陷。这些男性不育疾病包括少精子症、无精子症、畸形精子症、少弱畸形精子症和特发性不育。其中,关于少精子症报道最多。

一、少精子症

Marques等对27例精子浓度正常不育男性和96例少精子症的不育男性进行印记基因H19和MEST(mesodermal specific transcript gene,MEST)甲基化检测,发现各组MEST均正常去甲基化,严重少精子症组(<5×106/ml))、中等少精子症组(5~20×106/ml)和精子质量正常组出现H19不完全甲基化比例分别为30%、17%和0%,表明H19甲基化水平降低与精子发生功能低下相关。而MEST结果与Houshdaran的研究不一致,Houshdaran等发现不育男性精子母系印记基因MEST甲基化水平增高与不育男性精子浓度降低明显相关,其中严重少精子症组母系印记基因甲基化水平最高,表明母系印记基因异常超甲基化与少精子症具有相关性。出现这一相互矛盾结果可能与其检测方法灵敏度不一致有关。Marques等后来研究也证实了H19低甲基化和MEST超甲基化与少精子症相关。除了对H19和MEST印记基因研究外,也有课题组对更多的父系和母系印记基因进行检测,发现更多与少精子症相关的异常基因印记。

Kobayashi等对97例不育男性精子父系印记基因GTL2、H19和母系印记基因EG1、LIT1、ZAC、PEG3、SNRPN进行分析,发现14.4%出现异常的父系印记,20.6%出现异常的母系印记,主要存在于中度和严重少精子症男性。其中,18例少精子症患者中,1例中度少精子症患者和3例严重少精子症患者H19未出现甲基化;2例中度少精子症和4例严重少精子症患者GTL2基因未甲基化,有1例严重少精子症的患者H19和GTL2同时出现甲基化丢失。严重少精子症患者50%(5/10)在母系印记基因的DMR(differentially methylated region,DMR)出现甲基化异常,37.5%(3/8)的中度少精子症患者母系印记的DMR出现甲基化异常。表明少精子症不育患者与父系和母系印记基因甲基化异常均有明显相关性。随后El Hajj等和Hammoud等分别得出相似结论,表明父系和母系异常基因印记可能共同参与少精子症的发生,具体机制不清。

二、无精子症

最近Marques等比较了射精障碍性无精子症组、继发梗阻性无精子症组、原发梗阻性无精子症组和生精功能低下分泌型无精子症组4组患者睾丸活检精子印记基因H19和MEST/PEG1甲基化水平,发现所有患者MEST基因均完全甲基化,H19生精功能低下分泌型无精子组H19完全甲基化比例明显减少,其中1例出现甲基化完全丢失;表明H19印记基因错误与精子发生异常有关,至于H19印记基因在精子发生异常中起什么作用还有待深入研究。

三、畸形精子症及少弱畸形精子症

Boissonnas等对58例不育男性H19/IGF2的DMR甲基化情况进行研究,其中19例畸形精子症患者中11例在IGF2 DMR2或IGF2 DMR2和H19CTCF第六结合位点的DMR可变CpG区出现甲基化丢失,22例少弱畸形精子症患者中16例在H19 CTCF第六结合位点的DMR出现严重甲基化丢失,这一研究提示H19 CTCF第六结合位点的DMR甲基化改变可能作为确定精子发生缺陷程度的相关标记物。

四、特发性不育

Poplinski等比较了33例健康捐精者和148例特发性不育男性患者H19/IGF2印记控制区1(imprinting control region 1,ICR1)和MEST的甲基化水平,结果显示精子浓度正常男性精子95.9%H19/IGF ICR1出现超甲基化,95.7%MEST的DMR出现低甲基化。精子浓度<40×106/ml特发性不育患者89.6%H19/IGF2ICR1出现超甲基化。随着该部位甲基化水平的增加,精子计数呈线性增加。并且H19/IGF2ICR1部位甲基化水平的下降直接与精子活力下降相关。和H19/IGF2ICR1低甲基化相比,MEST部位的低甲基化与精子质量降低有关。与对照组4.3%MEST甲基化相比,特发性不育男性为9.6%。并且MEST部位甲基化的增加与精子活力下降线性相关。Marques等的研究发现支持这一结果。这些数据表明H19/IGF2ICR1和MEST的DMR甲基化缺陷与特发性男性不育明显相关,MEST DMR甲基化异常可能成为精子质量预测候选指标。

核蛋白转换

组蛋白向精核蛋白转换是精子发生过程中的关键步骤,这一核蛋白转换使DNA紧密包裹于细胞核内,便于遗传物质在受精时有效传递至卵母细胞。众所周知,细胞核精核蛋白Prm1和Prm2的比率(P1/ P2)被严格调节和控制,偏离正常比值0.8~1.2范围会导致不育。P1/P2升高或降低对精子质量和DNA完整性都有负面影响。P1/P2异常升高或降低的患者均出现精子浓度、活力和形态下降,同时也表现生育力低下。研究表明Prm2水平降低所致P1/P2增高是异常精核蛋白交换导致男性不育最常见的原因。此外,Yebra等的研究发现,高P1/P2比例的不育男性可能出现精核蛋白总水平降低,中间转换蛋白水平升高。

这项研究也发现一些不育男性的精子核Prm2完全缺失。目前尚未见生育正常男性出现P1/P2水平异常的报道,P1/P2比例异常为何引起不育男性精液参数下降还不清楚。近来,有研究发现P1/P2与异常基因组印记具有一定关联,Hammoud等报道P1/P2异常的不育男性在母系印记基因KCNQ1、LIT1 和SNRPN出现明显的超甲基化,同时出现父系印记基因H19的低甲基化。印记基因建立发生在减数分裂之前,为精核蛋白在减数分裂后才出现,印记基因异常是否影响P1/P2还有待实验证实。

染色体结构

染色质整体结构能够通过调整染色质不同区域与转录因子或其他转录蛋白的结合能力来调控基因表达,当控制的这些正常表达基因在精子发生中起重要作用时,这一表观调节作用才显得更加重要。Minocherhomji等比较760例不育患者和555例生育正常人群染色体多态性变异,发现精子异染色质变异的增加与一些男性不育相关。不育男性染色体总变异率由正常人的32.55%增加至58.68%,其中比例最高染色体变异9qh+由正常男性4.25%增加至严重不育男性的14.69%,这种异染色质增加不仅发生在9号染色体,也发生在其他染色体,可能引起与精子发生有关正常基因表达下调或失活。Y染色体多态性变异引起男性不育也是这一原理,至于这些不同染色体变异引起男性不育的具体机制还需要深入研究。

精子异常的表观遗传学研究意义

对精子异常表观遗传学研究开始于人们对ART技术的关注,2002年Cox等报道AS婴儿发病与ICSI存在关联,人们开始担心ART技术是否会增加下一代印记基因紊乱,导致遗传性疾病发生。出现这一担忧是因为在小鼠模型中,培养胚胎的培养基能够影响基因印记。随后,欧洲、美国和澳大利亚等国家大量报道ART与Beckwith-Weidemann综合征、Angelman综合征和视网膜母细胞瘤疾病相关。后来出现大量ART出生婴儿的大样本调查研究,得出的结论是在排除遗传因素后ART本身与这些疾病无关。虽然排除了ART技术对精子基因印记影响,但是引起了人们对精子异常表观遗传的关注。

近年来,在多种不同类型男性不育疾病中不断发现印记基因异常,而且这些异常印记基因会通过ART传递给下一代,增加婴儿遗传性疾病发病风险,如何预防这些异常印记基因向下一代传递显得尤为重要,由于Beckwith-Weidemann综合征、Angelman综合征和视网膜母细胞瘤等疾病发病率相当低,发现易引起下一代出现这些疾病的高危男性不育人群,针对这些高危男性不育人群进行筛查才显得切实可行。对男性不育精子异常的表观遗传学研究,为发现Beckwith-Weidemann综合征、Angelman综合征和视网膜母细胞瘤等疾病相关的特异印记基因筛查指标奠定基础,同时也为男性不育发病机制提供了研究方向,为男性不育病因诊断提供了实验依据,为男性不育精子质量评估提供了新的研究途径。精子异常的表观遗传学研究才刚刚起步,有许多问题值得我们去探索和研究。

表观遗传学改变究竟在精子异常中的作用是什么?是精子异常的原因,还是精子异常的伴随结果?精子异常表观遗传学改变是特发性男性不育的主要病因吗?精子异常表观遗传学研究能为原因未知的男性不育疾病提供统一的表观遗传学筛查和诊断指标吗?通过药物或分子生物学手段可以治疗表观遗传学改变的精子异常吗?精子异常表观遗传学改变在ART相关遗传性疾病发病机制中的作用是什么?这些问题的研究对临床男性不育的发病机制、病因学诊断、治疗及与ART有关的遗传性疾病的预防均有十分积极的意义。

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