采用近亲婚配家系进行无头精子症致病基因的定位和克隆

Acephalic spermatozoa defect is a rare but severe form of teratozoospermia causing primary male infertility, characterized by a lagre amount of spermatozoa with headless tails and tailless head, and a small amount of spermatozoa with abnormal head-middle piece attachments between heads and tails that form an angle of 90-180 degrees in semen. There have been case reports of acephalic spermatozoa defect, however, the pathogenesis of acephalic spermatozoa defect remains unclear. This project is aimed at identifying the disease-causing genes in four consanguineous families with acephalic spermatozoa defect. In our previous studies, chromosomal aberrations or Y chromosome microdeletion was not found in any proband of the four families. In this project, after excluding the mutations in candidate genes for acephalic spermatozoa defect referring to animal studies, then we will use homozygosity mapping and whole exome sequencing to identify the candidate disease-causing gene and the mutation. Mutation analysis of the gene will be carried out in other family members of the proband, in more samples of infertile men with acephalic spermatozoa defect, and in fertile male controls, to evaluate the pathogenicity of the gene mutation and to exclude the possibility of being benign variants. Finally, we will explore the pathogenesis of the new gene by analysis of immunofluorescence localization and transmission electron micrography. This project is expected to find the first disease- causing gene for acephalic spermatozoa defect in human, which will facilitate to provide patients with accurate diagnosis and gentic counseling, and a new target and theoretical basis for developing new male contraceptive drug.

无头精子症是导致男性不育的一种罕见畸形精子症，其主要特征是精液中可见大量的无头的精子尾和无尾的精子头，伴有少量精子头部和尾部呈90-180°连接异常的精子。其发病机制尚不清楚，目前多局限于病例个案报道。本课题旨在对4个近亲婚配的无头精子症家系进行致病基因的定位与克隆研究。前期工作已排除患者染色体畸变和Y染色体微缺失，本课题拟在前期工作基础上，进一步排除无头精子症动物模型人类同源基因突变后，运用纯合子定位联合全外显子组捕获测序初步确定致病基因和突变位点，并对家系成员、散发的无头精子症患者及正常对照人群进行新基因的突变筛查以验证新基因突变的致病性，并排除其为良性变异的可能。最后，利用免疫荧光定位实验和电子显微镜超微结构分析，初步探讨新基因的致病机理。本课题有望发现第一个人类无头精子症致病基因，将为患者提供准确病因学诊断和遗传咨询，也为男性避孕药物的开发提供了新的靶点和思路。

近年来，男性不育的遗传学研究成为生殖医学领域的一个研究热点，国内外在该领域均处于初步研究阶段。我国可以发挥遗传资源丰富的优势，克隆具有自主知识产权的导致男性不育的精子发生相关新基因并对其进行深入功能研究，获得具有自主知识产权的研究成果，扩大国际影响力，进而为男性不育的发病机理、基因诊断和临床治疗提供新的思路和方法，为男性不育分子“标签”的寻找和临床干预手段提供新的理论支撑和解决方案。在本项目的资助下，2016年9月，我们在世界上首次报道了人类无头精子症致病基因SUN5的重要作用，论文发表在国际著名人类与医学遗传学杂志《American Journal of Human Genetics》，破解了近40年的人类无头精子症部分成因之谜，随后无头精子症这一疾病正式被国际权威数据库OMIM记载并被命名为SPGF16和Acephalic Spermatozoa Syndrome（http://omim.org/entry/617187）。文章发表后被多次引用。随后，我们又进一步以Sun5基因敲除小鼠模型为研究工具，研究了其发病的具体机制，并提供了临床解决方案，相关成果于2017年9月份发表在国际著名期刊eLife上。我们对SUN5突变与否和无头精子症患者辅助生殖临床治疗结局相互关系的探讨，相关成果于2018年1月发表在国际著名期刊Human Reproducion上，多名无头精子症患者在本生殖中心和合作生殖中心通过辅助生殖技术获得临床妊娠并且出生了健康小孩，出生的男性小孩经过基因诊断排除了致病基因的垂直传播，避免了患者家族男性后代再患无头精子症的风险。目前对临床上诊断的多种精子发生障碍（无精子症、少精子症、弱精子症、畸形精子症和精子功能缺陷）引起的男性不育疾病的病因知之甚少，绝大多数精子发生障碍疾病均已通过辅助生殖技术治疗后获得后代而忽视对其病因的探索，加之目前缺乏有效的精子体外成熟平台，对精子发生的分子机制研究很匮乏。本项目实施就是针对目前的现状开展，以无头精子症这一典型畸形精子症为切入口，通过鉴定无头精子症致病基因，既可深入研究基因突变导致无头精子症的致病机制，又有助于揭示精子头尾连接形成的分子机制是本项目的关键创新点。