國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）于5月26日在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所劉默芳研究組與上海市計(jì)劃生育科學(xué)研究所施惠娟研究組合作的最新研究成果“Ubiquitination-deficient Mutations in HumanPiwiCause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchangeduring Spermiogenesis”，該項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)人類(lèi)Piwi基因突變可導(dǎo)致男性不育，深入揭示了其致病機(jī)理，并為相關(guān)男性不育癥的精準(zhǔn)醫(yī)療提供了理論基礎(chǔ)和方法策略。 

近年來(lái)，隨著全球人口出生率持續(xù)緩慢增長(zhǎng)及人口老齡化加劇，不孕不育已逐漸由單純的醫(yī)學(xué)問(wèn)題演變?yōu)閭涫荜P(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的不孕不育夫婦中，男性因素約占50%，非梗阻性無(wú)精、弱精及精子畸形是造成男性不育的重要原因，但其致病原因及機(jī)制還不甚了解，導(dǎo)致臨床診斷和治療策略極其有限。 

Piwi基因是在動(dòng)物中進(jìn)化保守的Argonaute亞家族成員，特異性地在動(dòng)物生殖系細(xì)胞中表達(dá)；在高等動(dòng)物中，Piwi則主要在雄性生殖細(xì)胞中表達(dá)。PIWI蛋白質(zhì)特異性地結(jié)合一類(lèi)被稱(chēng)為piRNA的小分子非編碼調(diào)控RNA，形成piRNA/PIWI功能復(fù)合物，通過(guò)沉默生殖系細(xì)胞中的轉(zhuǎn)座元件及調(diào)控其它下游靶RNA分子，維持生殖細(xì)胞基因組穩(wěn)定，為動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)育分化所必需。已有的研究表明，在線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚(yú)等低等動(dòng)物中敲除Piwi基因?qū)?dǎo)致雄性和雌性動(dòng)物均不育，而在小鼠中敲除Piwi基因致雄性不育，但對(duì)雌性個(gè)體的生育則無(wú)明顯影響。人基因組共編碼了4個(gè)PIWI蛋白，均在睪丸組織高表達(dá)，但到目前為止，關(guān)于PIWI蛋白在人類(lèi)精子發(fā)生中的功能和作用機(jī)制還未見(jiàn)任何報(bào)道，對(duì)Piwi基因突變?cè)谀行圆挥Y發(fā)生中的作用也幾乎是一無(wú)所知。 

劉默芳研究組茍?zhí)m濤、康俊炎、戴鵬、王鑫、李鋒等在劉默芳研究員的指導(dǎo)下，通過(guò)與上海市計(jì)劃生育科學(xué)研究所施惠娟研究組合作，篩查了413例臨床無(wú)精、弱精癥患者Hiwi（人源Piwi）基因上控制HIWI蛋白泛素化修飾降解的關(guān)鍵元件D-box，發(fā)現(xiàn)有3例病人在此元件中存在雜合性基因突變，且發(fā)現(xiàn)此類(lèi)突變可來(lái)源于基因自發(fā)突變，也可從母親遺傳獲得。為鑒定此類(lèi)突變是否是造成這些患者發(fā)生無(wú)精/少弱精的原因，研究人員將其中的一組突變條件型敲入小鼠Piwi基因（Miwi），在小鼠模型中研究此類(lèi)突變對(duì)精子發(fā)生的作用。他們發(fā)現(xiàn)， Miwi D-box雜合突變小鼠均出現(xiàn)雄性不育，精子表型也與患者一致。深入研究發(fā)現(xiàn)，Miwi D-box雜合突變小鼠精子發(fā)生阻滯在延長(zhǎng)型精子細(xì)胞發(fā)育階段，盡管能產(chǎn)生少量精子，但精子形態(tài)異常、細(xì)胞核結(jié)構(gòu)疏松、無(wú)活力。機(jī)制研究揭示，MIWI蛋白與組蛋白泛素連接酶RNF8相互作用，可將RNF8扣留在精子細(xì)胞胞質(zhì)中。在野生型小鼠中，MIWI蛋白將在后期精子細(xì)胞中被APC/C泛素連接酶介導(dǎo)的泛素化通路降解，從而使得RNF8入核泛素化修飾組蛋白，進(jìn)而啟動(dòng)組蛋白-魚(yú)精蛋白交換；而在突變小鼠中，D-box突變使MIWI蛋白不能被APC/C泛素化修飾降解，導(dǎo)致MIWI蛋白異常積累在后期精子細(xì)胞中，從而造成本應(yīng)進(jìn)入核行使功能的RNF8蛋白因子被繼續(xù)扣留于胞質(zhì)，進(jìn)而抑制了組蛋白修飾及組蛋白-魚(yú)精蛋白交換的啟動(dòng)，導(dǎo)致組蛋白大量滯留精子中，最終造成精子數(shù)量劇烈減少、精子頭部結(jié)構(gòu)異常及精子活力喪失。有趣的是，將一段RNF8 N-端多肽導(dǎo)入突變小鼠的精子細(xì)胞中，可有效阻斷MIWI對(duì)內(nèi)源RNF8的扣留，逆轉(zhuǎn)精子細(xì)胞中組蛋白-魚(yú)精蛋白交換障礙，恢復(fù)精子活動(dòng)能力，提示這一策略可有效治療這類(lèi)無(wú)精癥/少弱精癥。這項(xiàng)研究成果首次證明Piwi基因突變可致男性不育，并為這類(lèi)不育癥的早期分子診斷及臨床治療提供了理論依據(jù)和方法策略。 

該項(xiàng)研究工作是一項(xiàng)從人類(lèi)遺傳學(xué)到動(dòng)物模型、分子機(jī)理及至治療策略探索的系統(tǒng)研究，同時(shí)得到了美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校付向東教授、上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院李崢教授、中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所李黨生研究員、李勁松研究員和吳立剛研究員等的大力協(xié)助，并得到了國(guó)家基金委、國(guó)家科技部、中國(guó)科學(xué)院及上海市科委的資助。該工作的數(shù)據(jù)收集還得到了生化與細(xì)胞所公共技術(shù)服務(wù)中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)、分子生物學(xué)平臺(tái)和細(xì)胞生物學(xué)平臺(tái)的支持。