Life Med | 王凤超等发现因受精障碍导致男性不育的新致病基因IQCN并揭示其突变致病的分子机制

受精是一个复杂的多步骤过程，包括精子获能、精卵识别、顶体反应、穿越透明带、精卵质膜融合、卵母细胞激活和原核形成并融合等，任何一个环节异常均可能出现不受精或异常受精。遗传相关的基因突变是引起ICSI后受精失败的重要原因。男性因素相关的PLCZ1、ACTL7A和ACTL9等基因突变会造成卵母细胞激活失败进而导致ICSI后不受精。但上述基因突变仅能解释约30%精子因素相关的受精障碍（不包括圆头精子症）。

2022年11月，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王凤超课题组与首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院李琳副研究员、陈永杰助理研究员以及厦门大学附属妇女儿童医院/厦门市妇幼保健院沙艳伟副教授等人合作在Life Medicine杂志在线发表了题为Biallelic mutations in IQCN, encoding a novel acroplaxome protein, lead to fertilization failure and male infertility with defects in the acrosome and shaping of the spermatid head in humans and mice的研究论文。通过对男性受精障碍患者行全外显子组测序，研究者在3个独立家系中发现IQCN基因突变，在临床上通过IVF和ICSI均无法使患者配偶的卵细胞受精。透射电镜分析发现携带IQCN突变患者的精子顶体存在缺陷。IQCN是睾丸特异性表达基因，含有多个IQ结构域，在哺乳动物中高度保守，其具体生物学功能尚未见报道。研究人员通过CRISPR/Cas9技术，获得Iqcn基因敲除小鼠。通过形态学分析发现Iqcn^-/-小鼠精子的顶体的完整性被破坏，顶体脱落或异常定位于精子头的远端，这与人IQCN突变精子顶体缺陷的表型相似。为进一步研究IQCN蛋白功能，研究人员构建了Iqcn-3×FLAG^+/+小鼠，发现Iqcn蛋白在精子发生的变形期开始表达，并定位于顶体膜（Acrosomal membrane）和核膜（Nuclear membrane）之间的顶体下层板（Acroplaxome）及其边缘环（Marginal ring）区域。这很好的解释了为什么IQCN缺失容易导致精子头部形态异常和顶体缺陷。研究人员又通过免疫沉淀串联质谱分析（IP-MS），发现IQCN是一种骨架结合蛋白，能够和ACTB、ACTL7A、ACTBL2、TUBA1C和TUBB3等互作，进一步证实了IQCN作为Acroplaxome复合体蛋白对精子头部形态和顶体结构至关重要。为了进一步探索IQCN造成受精障碍的机制，研究人员通过IVF、ICSI、ICSI结合人工卵子激活等手段，发现Iqcn^-/-精子无法使正常卵子受精，主要原因是无法形成雄原核。非常有意思的是，Iqcn^-/-精子能使去除透明带的卵子受精，形成囊胚，同时将这些囊胚移植到代孕鼠子宫后，能出生健康后代。在临床上有报道，将人的卵子去除透明带后，能成功妊娠并生出健康后代。因此本研究为IQCN突变患者提供了潜在的治疗方法。
研究人员又通过Triton X-100处理小鼠Iqcn^-/-精子，并通过ICSI结合人工卵子激活，发现小鼠Iqcn^-/-精子能使正常小鼠卵子受精，形成小鼠2细胞胚胎，将小鼠2细胞胚胎移植后能够生出健康后代。上述研究表明IQCN缺失导致的异常顶体影响正常的顶体反应，阻碍受精。当去除残留的顶体，可使受精正常进行。本研究针对临床男性不育的难题，通过临床病例测序，结合小鼠模型，揭示了IQCN蛋白功能。同时采用两种技术手段，使Iqcn^-/-小鼠重获健康后代，为受精障碍导致的男性不育的临床诊疗提供了新的思路。北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院转基因动物中心主任王凤超博士、首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院李琳副研究员和陈永杰助理研究员为共同通讯作者，厦门大学附属妇女儿童医院/厦门市妇幼保健院沙艳伟副教授、首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院陈永杰助理研究员、青岛大学附属烟台毓璜顶医院王雄副主任医师、北京师范大学在读博士研究生孟冉冉、北京生命科学研究所杨晓燕、厦门大学附属第一医院李友筑副研究员为并列第一作者。本研究得到国家自然科学基金、福建省卫健委医学创新课题、北京市医院管理中心“青苗”计划、首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院“学科骨干”和“优青人才”经费支持。点击最下方“阅读原文”，查看Life Medicine英文全文

英文全文链接：

https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac050

引用本文：

Yanwei Sha, Yongjie Chen, Xiong Wang, Ranran Meng, Xiaoyan Yang, Youzhu Li, Pengpeng Jin, Shanze Li, Jie Chen, Tianyu Shao, Dan Xu, Yibiao Guo, Zhaodi Jiang, Yuhua Li, Shuntai Yu, Lin Li, Fengchao Wang, Biallelic mutations in IQCN, encoding a novel acroplaxome protein, lead to fertilization failure and male infertility with defects in the acrosome and shaping of the spermatid head in humans and mice, Life Medicine, 2022;, lnac050, https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac050

参考文献：

1. Kashir, J. et al. A maternally inherited autosomal point mutation in human phospholipase C zeta (PLCζ) leads to male infertility. Hum Reprod 27, 222-231, doi:10.1093/humrep/der384 (2012).

2. Xin, A. et al. Disruption in ACTL7A causes acrosomal ultrastructural defects in human and mouse sperm as a novel male factor inducing early embryonic arrest. Sci Adv 6, eaaz4796, doi:10.1126/sciadv.aaz4796 (2020).

3. Dai, J. et al. Homozygous pathogenic variants in ACTL9 cause fertilization failure and male infertility in humans and mice. Am J Hum Genet 108, 469-481, doi:10.1016/j.ajhg.2021.02.004 (2021).

作者简介

王凤超

北京生命科学研究所

王凤超，北京生命科学研究所转基因动物中心主任，兼动植物中心主任。2005年于中国农业大学生物学院获得博士学位，先后在北京生命科学研究所和中科院动物所进行博士后研究，2013年初建立了国内最早的TALEN & Cas9基因敲除小鼠平台，主要进行基因编辑动物模型的开发。同时进行精卵发生、胚胎植入生殖生物学的研究，已发表文章80余篇，其中2018年来已发表通讯/共同通讯作者文章10篇，包括Cell、Cell Stem Cell、Cell Res、J Neurosci等期刊.

李琳

首都医科大学附属北京妇产医院

李琳，首都医科大学附属北京妇产医院，副研究员。主持或参与国家级课题6项，省部级课题2项，参与国家重点研发计划课题1项。荣获“北京市优秀青年人才”表彰，入选朝阳区“凤凰计划”青年拔尖人才、北京市医院管理中心“青苗”计划人才。以第一/通讯作者（含共同）在N Engl J Med、Hum Reprod Update、Protein Cell、Fertil Steril、Hum Reprod等杂志发表SCI收录论文32篇、获国家发明专利3项，参编专家共识4篇。主要从事人类不孕不育的遗传学致病因素研究，鉴定了多个与女性不孕（受精卵分裂障碍、早发性卵巢功能不全、生殖道畸形）、男性精子发生障碍疾病有关的致病基因及突变。

沙艳伟

厦门大学附属妇女儿童医院/

厦门市妇幼保健院

沙艳伟，厦门大学附属妇女儿童医院/厦门市妇幼保健院，副教授，副主任医师，博士生导师，福建省高层次人才。现任中华医学会计划生育学分会男性生育调控学组委员、中华医学会男科学分会男性生殖与不育学组委员、中国性医学会男性生殖医学分会常委、中国性医学会妇幼保健男科分会常委、福建省医学会男科学分会青年委员会副主任委员、福建省医学会计划生育学分会青年委员、福建省医学会生殖医学分会第一届委员、厦门市医学会男科学分会第一届委员、厦门市医学会生殖医学分会第一届委员。主持国家自然科学基金面上项目2项及省市级课题11项。在N Engl J Med，Am J Hum Genet，J Med Genet，Fertil Steril等杂志发表论文80余篇，获得省市级奖项6项，授权国家发明专利4项，主译和参编生殖领域著作6部。

制版：嘉明

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