张锋/曹云霞/司维/谭跃球等团队联合发现首个灵长类特异的弱畸精子症致病基因 SSX1

现阶段，不孕不育是影响人类生殖健康和人口质量的重大问题。据 WHO 调查，全世界 15% 的育龄夫妇存在不育问题，其中男性因素约占 50%。作为导致男性不育的重要致病因素，弱畸精子症已经越来越多的受到人们的关注。先前的研究表明这一类疾病与遗传因素相关。自 2014 年以来，已经陆续有二十余个致病基因被发现，包括该合作团队前期报道的 CFAP 家族基因 CFAP43、CFAP44 (Tang et al., AJHG 2017)、CFAP47 (Liu et al., AJHG 2021)、CFAP58 (He et al., AJHG 2020)，TTC 家族基因 TTC21A (Liu et al., AJHG 2019a)、TTC29 (Liu et al., AJHG 2019b)，以及动力蛋白家族基因 DNAH8 (Liu et al., AJHG 2020) 等。这些基因大多为进化上保守的，通过基因编辑的小鼠模型即可完成相应的表型和辅助生殖结局相关的研究。

近日，复旦大学张锋、安徽医科大学曹云霞、昆明理工大学司维、中南大学谭跃球等团队的多中心研究在学术期刊《The American Journal of Human Genetics》上联合发表了题为 Deficiency of primate-specific SSX1 induced asthenoteratozoospermia in infertile men and cynomolgus monkey and tree shrew models 的论文成果。该研究通过全外显子测序、基因组拷贝数变异分析首次利用食蟹猴、树鼩两种动物模型，揭示了首个灵长类特异的弱畸精子症致病基因 SSX1。

该研究中首先通过全外显子测序技术结合高效的生物信息学分析，对 536 例汉族男性弱畸精子症患者进行了遗传分析，发现来自不同家系的 6 例弱畸精子症患者携带灵长类特异的 SSX1 基因的罕见致病变异（图 1，B 和 C）。精子形态学分析发现，SSX1 基因缺陷患者的精子尾部呈现出明显的异常表型，包括尾部鞭毛的多种畸形以及超微结构的异常（图 2）。

图 1. SSX1 基因突变位点信息与研究设计

图 2. SSX1 基因缺陷导致精子畸形（A）和鞭毛内部超微结构的异常（B）

与以往不同的是，SSX1 是灵长类特异的致病基因，对于这一类致病基因，已经无法使用啮齿类动物进行致病性、表型和分子机理的研究。通过进化分析，研究者选用了与人类进化关系极为接近的食蟹猴和树鼩进行了表型和致病机理的分析。由于灵长类或近灵长类动物生殖周期较长，通过基因编辑构建的模型无法实现短时间内的表型观察研究。研究者们选用了技术上较为成熟的腺相关病毒介导的 shRNA 干扰方法，通过睾丸网注射实现了 Ssx1 基因的在体敲降。进一步的表型观察发现，食蟹猴和树鼩均表现为严重的弱精、精子畸形相关的表型（图 3，图 4）。

图 3. 树鼩 Ssx1 基因敲降模型构建与表型分析

图 4. 食蟹猴 Ssx1 基因敲降模型构建与表型分析

并且，研究者们观察到，Ssx1 基因敲降的食蟹猴在病毒注射 45 天后弱畸精子症表型最为严重，注射后 75 天则表现为明显恢复的状态（图 4），表明腺相关病毒介导的基因敲降系统的灵活性。此外，通过进一步的转录组测序分析，研究者发现 Ssx1 基因缺陷影响了多个精子发生相关过程重要成分的表达（图 5）。上述结果以进一步证实，SSX1 是导致弱畸精子症相关男性不育的新基因。

图 5. Ssx1 基因敲降导致精子发生相关基因表达异常

值得一提的是，食蟹猴和树鼩作为与人类亲缘关系较近的两种模式生物，在利用腺相关病毒介导的 shRNA 干扰系统研究生殖疾病方面具有不同的优势。食蟹猴模型可模拟人类精液采集步骤，便于进行基因敲降后不同时间点的精液参数分析。此外，与之前的生殖细胞系基因编辑策略相比，成年猴的短期体内遗传干预显著缩短了观察生殖表型所需的时间; 对于后一种情况，至少需要 4 ～ 5 年才能获得经过基因编辑的后代，并在成年后出现生殖表型。树鼩，新陈代谢与解剖结构比啮齿类更接近于人类，并且其体型小、生殖周期短，便于采集精子样本或睾丸组织进行表型和机制研究。因此，树鼩、食蟹猴模型和腺相关病毒介导的 shRNA 干扰系统适用于人类遗传起源的生殖疾病表型分析和机制研究。该研究利用两种模式生物，基于腺相关病毒介导的基因表达敲降，为不同目的和倾向的研究提供了两种新的实验系统。

综上，该项研究基于全外显子测序、比较基因组杂交等与遗传分析手段鉴定了导致第一个灵长类特异的弱畸精子症致病基因 SSX1。进一步的生物信息学也发现，人睾丸特异表达的基因中，近 50% 的基因是灵长类特异或者功能演化上出现差异的（图 6）。树鼩、食蟹猴模型结合腺相关病毒介导的 shRNA 干扰系统的研究，开创性地为生殖系统中灵长类特异的或功能演化上出现差异的基因功能研究提供了新的研究途径。

图 6. 人类和小鼠睾丸富集基因的进化差异分析

复旦大学张锋教授、安徽医科大学曹云霞教授、中南大学谭跃球教授为该论文的共同通讯/资深作者。复旦大学刘春雨博士、昆明理工大学司维教授、中信湘雅生殖与遗传专科医院涂超峰博士、复旦大学田世雄博士、安徽医科大学贺小进教授、昆明理工大学王胜男博士、南京医科大学杨晓玉主任、上海市第一人民医院姚晨成博士为该论文的共同第一作者。中科院昆明动物所郑萍、姚永刚、孔庆鹏等研究团队和上海市第一人民医院李铮教授也为该研究提供了大力支持。该研究获得了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委等课题的资助。