文獻 │ 科學家首次揭示基因突變導致男性不育的分子機制

拮抗泛素化的人Piwi基因突變，通過阻止精子變形過程中魚精蛋白對組蛋白的置換，導致男性不育。

文章資訊
題目： 

Ubiquitination-deficient Mutations in Human Piwi Cause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchange during Spermiogenesis
期刊：Cell
IF：31.398

ABclonal合作技術：MIWI蛋白質表達及客製化抗體

研究背景      
      近年來，隨著全球人口出生率持續緩慢增長及人口老齡化加劇，不孕及不育已逐漸由單純的醫學問題演變為備受關注的社會問題。據統計，在我國，不孕不育夫婦中，男性因素約佔50%，非阻塞性無精、弱精及精子畸形是造成男性不育的重要原因，但其致病原因及機制還不甚了解，導致臨床診斷和治療策略極其有限。 分子機制：Piwi基因特異性地在動物生殖系細胞中表達。在高等動物中， Piwi主要在雄性生殖細胞中表達。拮抗PIWI蛋白泛素化的D-box基因突變(Ubiquitination-deficient Mutations)，使PIWI蛋白質不能在精子變形後期被正常清除，導致啟動組蛋白-魚精蛋白交換的組蛋白泛素連接酶RNF8不能進入細胞核，進而阻止後期精子細胞中魚精蛋白對組蛋白的置換，最終導致精子數量劇烈減少、精子功能異常和男性不育。








研究内容及结果 
1. 首先對413例無精症患者（300例健康人群作為對照）Piwi（Hiwi）基因上的D-Box序列進行測序，發現3例無精症患者身上存在PiwiD-Box突變。實驗檢測發現這類基因突變導致了Piwi蛋白泛素化缺陷，但是不影響PIWI對靶RNA分子的切割作用以及piRNA-loading的功能。




2. 為了進一步驗證PiwiD-Box突變是否可能導致男性不育症的發生，進行了小鼠模型實驗，PiwiD-Box突變knock-in突變後，小鼠出現雄性不育、精子形態異常以及細胞核結構疏鬆。



3. 精子發育在結構特化的過程中會發生「組蛋白-魚精蛋白轉換（Histone-to-Protamine exchange）」。結合科學家在2013年在Dev Cell雜誌上的文章，揭示了PIWI/piRNA的代謝調控機制以及piRNA調控泛素化途徑的新功能。




4. PiwiD-Box knock-in小鼠的後期精子細胞中組蛋白泛素化水平顯著下降，且H2B泛素化水平大幅下降。 MIWI（PIWI）與RNF8相互作用，抑制了RNF8入核泛素化組蛋白。D-Box突變導致MIWI突變體蛋白在細胞質中的累積，而且抑制了RNF8泛素連接酶入核，從而影響精子發生過程中組蛋白的泛素化以及進一步的「組蛋白-魚精蛋白置換」過程。進一步實驗表明RNF8-N（N端1-210aa）可以競爭RNF8全長蛋白和MIWI的結合作用。有趣的是，在PiwiD-Box突變的精子中過表達RNF8-N可以恢復精子的活力。這一策略可用於治療無精症/少弱精症

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