Usp26敲除小鼠和Tex11敲除小鼠揭示男性不育的新機制
克氏綜合征（Klinefelter syndrome）又稱先天性曲細精管發(fā)育不全綜合征，患者通常表現為男性第二性征發(fā)育遲緩和無精癥�；颊叩娜旧w核型為47,XXY，即比正常男性多了一條X染色體（圖1），因此該病又被稱為XXY綜合征。大多數克氏綜合征患者是不育的，因此迫切需要了解如何預防和治療這種疾病。
圖1. 克氏綜合征患者及對照的核型。
額外的X染色體存在的原因是父母的生殖細胞在減數分裂形成精子和卵子的過程中，性染色體發(fā)生不分離現象所致。以往人們普遍認為克氏綜合征的產生是隨機的，也有報道稱該病與母親年齡有關，但仍有約一半的克氏綜合征患者與父源因素相關。不過，這背后的分子機制在很大程度上仍然未知。
Usp26缺陷小鼠產生了XXY子代
為了研究父源疾病的遺傳基礎，研究人員對108例克氏綜合征患者開展了全外顯子組測序，發(fā)現許多預測的有害突變都位于X染色體上。之后，USP26激發(fā)了他們的興趣。進一步的分析表明，USP26在克氏綜合征患者中突變頻率最高，暗示USP26突變可能影響克氏綜合征的病因。
USP26屬于泛素特異性蛋白酶家族，可以去除底物中的泛素鏈。為了確定USP26突變是否會導致克氏綜合征子代，研究人員利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)構建了Usp26基因敲除小鼠。Usp26位于X染色體上，因此這種Usp26敲除小鼠被稱為Usp26-/Y。他們發(fā)現，Usp26-/Y小鼠的生育力隨著年齡的增加而顯著降低，并產生了部分染色體核型為41,XXY的小鼠。
USP26參與性染色體配對
接下來，為了進一步確定Usp26敲除的影響，他們分析了6個月大的Usp26-/Y小鼠的精子發(fā)生過程，發(fā)現Usp26-/Y小鼠的睪丸大小和重量顯著降低。部分小鼠的生精小管顯示結構異常并具有大液泡和凋亡細胞。此外，6個月大Usp26-/Y小鼠的精子總數減少。這些結果表明，Usp26的破壞在一定程度上損害了精子發(fā)生。
之后，研究人員通過免疫染色來鑒定USP26在精子發(fā)生過程中的精確定位，發(fā)現它在粗線期與聯會的染色體軸一起出現，表明USP26參與了性染色體重組和聯會。他們對6個月大Usp26-/Y小鼠精母細胞中的X和Y染色體進行FISH分析，發(fā)現大約40%的性染色體未配對，而野生型精母細胞中只有2%未配對。這些結果支持了USP26對于性染色體的聯會是必不可少的。
由于USP26定位在XY body區(qū)域，故研究人員推測其可能會調節(jié)聯會復合體相關蛋白TEX11的穩(wěn)定性。他們證實，這兩種蛋白質確實存在相互作用，而且USP26可以對TEX11進行去泛素化。Usp26-/Y睪丸中的TEX11水平顯著降低，支持了USP26介導的去泛素化促進了TEX11的穩(wěn)定性。Usp26敲除后TEX11水平降低，導致性染色體無法正常配對聯合（Usp26敲除小鼠（2664bp）和Tex11敲除小鼠由賽業(yè)生物構建）。
未配對的性染色體可能會導致第一次減數分裂中期的錯誤分離。從理論上說，如果性染色體在第一次減數分裂時隨機分離，則精子將出現25%的X、Y、XY和O精子分布。他們發(fā)現，與對照相比，6個月大Usp26-/Y小鼠產生XY和O非整倍體圓形精子細胞的比例明顯更高，而且XY非整倍體精子的比例也更高。
研究人員指出，以上這些結果表明Usp26的破壞會影響第一次減數分裂，而Usp26的功能破壞會擾亂性染色體配對，導致它們在第一次減數分裂中期的錯誤分離，產生XY非整倍體精子，進而導致41,XXY子代的產生（圖2）。
圖2. Usp26的破壞產生XY非整倍體精子，并導致41,XXY子代的產生。
USP26變異對男性精子形成的影響
從小鼠研究推斷，攜帶USP26變異的男性應該可以生育，但產生XY非整倍體精子的風險更高。因此，研究人員對正�？捎行缘木舆M行分析，發(fā)現攜帶UPS26變異的男性存在更高比例的XY非整倍體精子，清楚表明這些父源USP26變異會增加子代的克氏綜合征風險。
之后，他們確定了兩個家族，其中克氏綜合征患者的父親帶有USP26突變的單倍型，而患者母親在USP26編碼區(qū)內不含有突變。進一步的短串聯重復序列（STR）多態(tài)性連鎖分析也證實了患者額外的X染色體來自其父親（圖3）。這些結果進一步支持了父源USP26突變可導致子代患上克氏綜合征。
圖3. 帶有USP26突變的男性產生了XY非整倍體精子。
小結
這項研究首次發(fā)現并證實了父源USP26相關突變可增加子代的克氏綜合征風險。它打破了以往克氏綜合癥隨機產生的觀點，為克氏綜合征的產生機制提供了一個全新視角，并有望帶來新的診斷和治療靶點以及預防干預策略。
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原文檢索：
Liu C, Liu H, Zhang H, Wang L, Li M, Cai F, Wang X, Wang L, Zhang R, Yang S, Liu W, Liang Y, Wang L, Song X, Su S, Gao H, Jiang J, Li J, Luo M, Gao F, Chen Q, Li W, Chen ZJ. Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans. EMBO J. 2021 May 12:e106864. doi: 10.15252/embj.2020106864. Epub ahead of print. PMID: 33978233.
