林戈课题组首次揭示男性ACTL9纯合突变导致受精失败的机制，并提供有效干预方案

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受精是精子与卵子相互识别与融合并形成一个双原核受精卵的过程。在辅助生殖治疗过程中，部分患者出现所有卵子授精后均未出现原核，继续培养仍未发生卵裂，这种现象称之为受精失败。男性或女性因素都可能导致受精失败的出现。男性因素主要的致病基因为PLCZ1，但该基因突变只能解释30%左右因男性因素所导致的受精失败病例，进而亟需发掘新的致病基因并且探索可能的干预方案。

2021年2月23日，中南大学及中信湘雅生殖与遗传专科医院研究小组联合在American Journal of Human Genetics杂志在线发表文章 Homozygous pathogenic variants in ACTL9 cause fertilization failure and male infertility in humans and mice 。研究鉴定出导致受精失败的新致病基因ACTL9，并通过一系列体内外研究， 揭示了男方携带ACTL9纯合突变导致受精失败的致病机制并提供了有效的干预方案。

 

该研究通过全外显子测序对来自中信湘雅生殖与遗传专科医院的21例由于男性因素导致卵胞浆内单精子注射 （ICSI） 受精失败的患者进行了基因检测和遗传学分析。发现了3例患者均携带有ACTL9基因的纯合突变，分别为两个错义突变c.1034C>T (p.Ser345Leu) ，c.1138G>T (p.Val380Leu) 和一个无义突变c.1209C>G (p.Tyr403Ter)（图1） 。

图1：3个受精失败家系中发现ACTL9纯合突变

巴氏染色形态学观察揭示了携带ACTL9突变患者的精子头部畸形率高，尤其是锥形头的比例显著高于正常精子 （图2A） 。并通过精子透射电镜发现ACTL9突变精子核周鞘 （PT） 较正常精子明显增宽 （图2C） ，呈现出“褶皱状”顶体 （图2B） 。

 

图2：ACTL9突变精子形态学观察

基于精子免疫荧光染色，发现正常精子的卵母细胞激活因子PLCζ主要定位于精子赤道部，而ACTL9突变精子的PLCζ异常定位于颈部 （图3A） 。进一步研究表明，突变精子进入卵胞浆后无法激发正常的钙离子震荡，定位于精子颈部的PLCζ仍滞留于细胞核旁，无法完全释放于卵胞浆内 （图3B） 。

 

图3：ACTL9突变精子及受精失败卵中PLCζ的表达及定位

随后，该团队利用CRISPR/Cas9技术制备了携带类似患者突变位点的Actl9突变小鼠模型，发现纯合突变雄鼠完全重现了男性患者的精子PT增宽及ICSI受精失败表型 （图4） 。

 

图4：Actl9突变小鼠出现ICSI受精失败表型

最后，基于以上研究基础，在患者充分的知情同意及医院伦理委员会监督下，2名患者妻子在进行ACTL9基因突变筛查后，使用临床已成熟应用的钙离子载体进行卵母细胞辅助激活干预，2对患者均获得正常受精和优质胚胎，其中1名患者已移植并获得健康活产。

综上所述， 本研究首次发现并证实ACTL9纯合突变导致ICSI受精失败和男性不育。该基因突变导致精子呈现“褶皱状”顶体，导致PLCζ无法正常的定位于核周鞘中，从而无法释放于卵胞浆内激发钙离子震荡是引起受精失败的主要原因，并利用钙离子辅助激活手段能得到有效干预。

据悉，中南大学 林戈 研究员和中信湘雅生殖与遗传专科医院郑伟副研究员为本文通讯作者，中南大学基础医学院 戴菁 博士和中信湘雅生殖与遗传专科医院 张天镭 博士后为本文共同第一作者。

林戈课题组近年来致力于体外受精治疗中胚胎实验室各类异常的病因学研究。先后报道了一系列导致卵子成熟障碍、受精失败、受精卵分裂失败及早期胚胎发育阻滞的分子机制。为相应患者的遗传咨询、分子诊断及精准干预提供理论基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2021.02.004