Nature | 乔杰/袁鹏/闫丽盈/魏瑗团队揭示X染色体剂量异常导致胎儿生殖细胞发育障碍的关键机制

生殖细胞的正常发育是维持生育力的根本。乔杰院士团队一直致力于生殖细胞发育调控机制研究，前期工作系统解析了人类生殖细胞从胎儿到成人各阶段的发育特征，初步揭示了生殖细胞正常发育的调控机制（Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2017; Cell Research, 2017; Cell Research, 2021; Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 2022），发现女性胎儿生殖细胞(fetal germ cell，FGC） 中X染色体重新激活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于男性，而男性FGC中的X连锁基因表达剂量不仅低于女性FGC，还低于男性自身的性腺体细胞，提示不同类型的细胞对X连锁基因表达剂量的需求存在差异。

然而，X连锁基因的表达剂量如何调控FGC发育，尤其是当X连锁基因表达剂量异常时如何影响FGC发育，有待系统解析。克氏综合征是研究这一重要科学问题的天然模型，其核型为47,XXY，较正常男性多一条X染色体，是导致男性不育最常见的遗传学病因之一，其发病率约为1/600。克氏综合征患者生殖细胞在青春期前就大量丢失，成年后主要表现为无精子症，伴随着曲细精管纤维化和透明化等睾丸组织病理改变。但额外的X染色体是如何导致克氏综合征患者生殖细胞发育异常和丢失的，是生殖医学领域尚未解决的科学难题。既往研究通常聚焦于成年克氏综合征患者（此时生殖细胞大量丢失），发现其性腺内体细胞存在发育异常。但这些体细胞的异常是否与生殖细胞丢失有直接关系尚无定论，克氏综合征患者生殖细胞发育异常的分子机制一直未被揭示。

2024年10月30日，北京大学第三医院妇产科乔杰/袁鹏/闫丽盈/魏瑗团队合作在Nature发表了题为How the extra X chromosome impairs the development of male fetal germ cells的研究文章。该研究以生殖细胞大规模丢失前的胎儿阶段为切入点，全面解析了克氏综合征患者FGC的发育特征和相关分子改变，揭示了X染色体的活性状态、转录特征以及介导FGC发育异常的分子机制，探讨了改善克氏综合征患者FGC发育异常的潜在方法，为提高克氏综合征患者生育力带来了新的希望。

该研究发现，在克氏综合征胎儿性腺中，额外的X染色体并不会改变性腺内细胞的命运，其胎儿生殖细胞 （FGC） 的主要异常是发育阻滞：在正常男性对照中仅有约15%的FGC处于早期阶段，克氏综合征中这一比例则高达81%，两者间FGC总数没有显著差异，说明此时生殖细胞还没有明显丢失，其异常主要表现为阻滞在早期发育阶段。研究团队进一步揭示了导致发育阻滞的基因表达紊乱：克氏综合征患者FGC高表达多能性基因、早期FGC基因、有丝分裂基因、WNT通路基因、TGF-β通路基因，同时低表达与FGC分化相关的基因，如减数分裂基因、piRNA代谢基因以及X连锁的癌/睾基因 （CTX基因） 等。

团队进一步探索了额外的X染色体在克氏综合征患者FGC发育阻滞中的作用。该研究发现，人类FGC，包括克氏综合征（47,XXY）、正常女性（46,XX）以及超雌综合征（47,XXX）的FGC，均不发生X染色体失活。利用自主开发的RNA/DNA/蛋白三重荧光原位检测技术（Triple in situ fluorescence detection of RNA, DNA and protein,TISF） 和空间统计学算法，作者发现人类FGC中X染色体未失活的原因可能包括XIST无法结合到X染色体以及XACT对XIST的拮抗作用等。克氏综合征患者FGC中X染色体未失活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于正常男性，过度激活了WNT和TGF-β等通路，并且使细胞周期更加活跃，阻碍其顺利进入有丝分裂静止阶段（晚期阶段），最终引起FGC发育阻滞。

FGC发育的关键特征之一是表观遗传重编程，如全基因组DNA甲基化的大规模擦除。团队接下来研究了克氏综合征患者FGC的基因组甲基化特征，发现克氏综合征早期FGC的基因组甲基化擦除更加彻底，包括印记基因。相反，重复元件SVA却表现出比对照更高的甲基化水平。此外，FGC分化关键基因 （如CTX基因） 的甲基化异常可能参与了克氏综合征患者FGC的发育阻滞。

FGC的发育受到周围体细胞的精确调控，尤其是与之直接接触的支持细胞。作者发现克氏综合征胎儿支持细胞也出现发育异常，且与细胞迁移和运动相关的基因下调，导致支持细胞-FGC间参与细胞迁移的SEMA7A-ITGB1、CDH2-CDH2、JAM2-JAM3互作减弱，最终引起晚期FGC和支持细胞向睾丸索基底部的迁移受损。而既往研究表明，无法正常迁移的FGC将因为无法分化为精原细胞而死亡。

这项研究最后探索了挽救克氏综合征患者FGC发育阻滞的可能措施。研究结果表明，在相同培养条件下，正常男性的FGC在体外能够有效分化，但克氏综合征患者的FGC无法继续分化。值得注意的是，经TGF-β抑制剂处理后，克氏综合征患者FGC的分化得到了显著改善，这为治疗克氏综合征患者生殖障碍提供了重要线索。

综上所述，该研究发现克氏综合征患者的FGC中额外X染色体未发生失活，导致X连锁基因表达上调，这些基因过度激活了WNT通路和TGF-β通路，同时使细胞周期更加活跃，阻碍了FGC的正常分化，使大多数FGC停留在早期阶段；另一方面，克氏综合征胎儿支持细胞和晚期FGC之间的互作异常，影响了晚期FGC向睾丸索基底部的迁移；克氏综合征患者FGC的发育阻滞和迁移受损，将导致后续阶段的生殖细胞 （精原干细胞） 数量减少，这可能是克氏综合征患者出生后生殖细胞减少的重要原因；体外研究还发现TGF-β通路抑制剂可以显著改善克氏综合征患者FGC的发育阻滞。本研究为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，为早期治疗提供了重要的理论依据。

北京大学第三医院乔杰教授、袁鹏副研究员、闫丽盈教授以及魏瑗教授为该论文的共同通讯作者，卢永杰博士后、秦萌博士、贺麒龙博士后、博士生花凌月和齐心童为共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08104-6

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