郭靖涛等揭示克氏综合征（XXY）导致男性不育的分子机理

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男性不育（male infertility）是一个多因素共同作用的疾病，影响大约7%的男性，在所有不孕不育的病例中占比约50%。然而，由于病因及症状都十分复杂，我们对这个疾病的诊断和治疗依然具有较大的提升空间。目前为止，大约15-30%的男性不育被认为是由遗传因素导致的。这其中既包括了单基因的突变，染色体片段的缺失，也包括了染色质数目异常。其中，克氏综合征（Klinefelter Syndrome; KS）是最常见、病因最明确的男性不育的病因之一。

克氏综合征是一种常见染色质数目异常疾病，患者拥有两条X染色体和一条Y染色体（较正常男性多出一条X染色体），约每650个新生男童中就有一个患者。克氏综合征的症状较多，有些时候症状会非常显著，可能会出现肌肉虚弱、身高较高、运动协调差、体毛稀少等症状。通常在青春期时发现克氏综合征的征状较为明显，表现为外生殖器和睾丸偏小以及精子发育异常。克氏综合征的产生一般被认为是生殖细胞减数分裂过程中性染色体分配异常导致的。近期，中科院动物所李卫研究员与山东大学陈子江院士团队联合发现，USP26基因的异常可以导致后代产生更高比例的克氏综合征，首次揭示了克氏综合征产生的遗传基础。然而，我们目前对于额外的X染色体如何导致男性不育的细胞和分子机理依然知之甚少。

鉴于其相对干净的遗传背景和充足的病人数目，以及同男性不育之间的高度相关性，克氏综合征为研究遗传因素导致不育的分子机理提供了较好的模型。2021年10月7日，美国犹他大学医学院的郭靖涛实验室和俄勒冈健康科学大学Donald Conrad实验室在The American Journal of Human Genetics上发表了题为“Comparative single-cell analysis of biopsies clarifies pathogenic mechanisms in Klinefelter syndrome”的研究论文。该研究利用单细胞测序等手段，通过新的测序和挖掘已发表的数据，分析和研究了来自12个男性（包括健康人和病人；其中2位是KS病人）的超过26000个单细胞数据，详细地描述了在KS病人体内，额外的X染色体如何导致精子发生异常的分子机理，为后续的治疗提供了理论基础。值得一提的是，郭靖涛团队在过去几年里，利用单细胞测序等手段，系统研究了人类生殖细胞和睾丸的发育过程，从分子层面揭示了生殖干细胞和睾丸从胚胎期、婴儿期、青春期到成年的整个发育路径，也为此项研究奠定了基础。

由于数据来自于多个实验室的多批次结果，如何有效地去除批次效应（batch effect）对后续的分析非常重要。研究人员首先利用了稀疏矩阵分解的算法（Sparse Decomposition of Arrays；SDA）来分析数据。SDA可以将复杂的单细胞数据分解成不同的成分（component），这些成分对应于被共同调控的基因模块。通过对模块的分析，可以确定这些模块所对应的生物学过程，以及是否和batch effect相关。接下来，该算法允许研究人员将对应于batch effect的成分剔除，这样便可以有效地减少batch effect对后续分析的影响。

利用移除batch effect的数据，研究人员仔细地分析了各个细胞类型以及他们的变化所对应的SDA成分。研究人员发现，在KS病人体内，最大的变化出现在各种体细胞里面。首先，未成熟的Leydig细胞在KS病人体内的比例升高，表明Leydig细胞的成熟可能受到了额外X染色体的影响。同时，研究人员还发现，XIST在KS病人的各种细胞内都高度表达，从而可以抑制额外X染色体的表达，这可以很好地解释了为何这些细胞在多获得了X染色体后依然可以存活。然而，与大部分细胞不同，KS病人的部分Sertoli细胞内，XIST的表达没有显著提升，这也导致了在这些Sertoli细胞里面X-linked基因表达不受抑制。有意思的是，这些X-linked基因在KS的Sertoli细胞内只上升了大约13%，而不是一倍的上升，这表明可能存在其他的机制同时在抑制X染色体的表达。另外，XIST在Sertoli细胞的表达似乎和输精小管（seminiferous tubules）的形态相关：不表达XIST的Sertoli细胞和更差的组织形态有关，即它们更多的存在于管壁变厚的输精小管内，而这些变厚的输精小管内一般很难发现生殖细胞。然而，对于Sertoli细胞为何如此特殊，可以逃避XIST，目前少缺乏一个非常合理的解释。最后，研究人员还发现，KS病人的睾丸内纤维化变强，这可能与内皮细胞（endothelial cell）和Leydig细胞的相互作用相关。

综上所述，该项研究利用单细胞测序手段，通过新型的分析和数据挖掘方法，精确、系统地分析了克氏综合征导致男性不育的分子机理，并与已发表的结果进行交叉比对，验证了实验结果的可靠性。这对我们更好地了解和治疗克氏综合征，帮助病人重获生殖能力有很重大的意义，这种分析方法和思路也很有希望推广应用到其他的疾病模型上去。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2021.09.001

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