許多研究PIWI的動物模型中都證明了PIWI對生殖細胞發(fā)育的分化的重要作用，然而PIWI在人類生殖細胞發(fā)育分化中的功能并不清楚。文章檢測了413例無精癥患者Piwi基因上一個在脊椎動物中十分保守的D-Box序列中是否存在突變。測序結(jié)果發(fā)現(xiàn)了3例無精癥患者身上存在Piwi D-Box突變。生化實驗檢測發(fā)現(xiàn)這類突變導(dǎo)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。Piwi D-Box突變不僅導(dǎo)致MIWI突變體蛋白在細胞質(zhì)中的累積，而且抑制了RNF8泛素連接酶入核，從而影響精子發(fā)生過程中組蛋白的泛素化以及進一步的“組蛋白-魚精蛋白替換”過程。這項研究的重要意義在于首次發(fā)現(xiàn)人類Piwi基因突變可導(dǎo)致男性不育，深入揭示了其致病機理，并為相關(guān)男性不育癥的精準醫(yī)療提供了理論基礎(chǔ)和方法策略。
在國家自然科學(xué)基金（項目編號：31325008，91640201，91419307）等資助下，中國科學(xué)院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所劉默芳研究組與上海市計劃生育科學(xué)研究所施惠娟研究組合作在Piwi基因突變致男性不育研究中取得重要進展。相關(guān)研究成果以“Ubiquitination-deficient Mutations in Human Piwi Cause Male Infertility by Impairing Histone-to-Protamine Exchange during Spermiogenesis”（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(dǎo)致男性不育）為題于2017年5月25日在線發(fā)表在Cell上。論文鏈接：http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30488-9。
近年來，隨著全球人口出生率持續(xù)緩慢增長及人口老齡化加劇，不孕不育已逐漸由單純的醫(yī)學(xué)問題演變?yōu)閭涫荜P(guān)注的社會問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國的不孕不育夫婦中，男性因素約占50%，非梗阻性無精、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(dǎo)致臨床診斷和治療策略極其有限。Piwi基因是在動物中進化保守的Argonaute亞家族成員，特異性地在動物生殖系細胞中表達。在高等動物中，Piwi則主要在雄性生殖細胞中表達。PIWI蛋白質(zhì)特異性地結(jié)合一類被稱為piRNA的小分子非編碼調(diào)控RNA，形成piRNA/PIWI功能復(fù)合物，通過沉默生殖系細胞中的轉(zhuǎn)座元件及調(diào)控其它下游靶RNA分子，維持生殖細胞基因組穩(wěn)定，為動物生殖細胞發(fā)育分化所必需。在小鼠中敲除Piwi基因致雄性不育，但對雌性個體的生育則無明顯影響。人基因組共編碼了4個PIWI蛋白，均在睪丸組織高表達，但到目前為止，關(guān)于PIWI蛋白在人類精子發(fā)生中的功能還未見任何報道，對Piwi基因突變在男性不育癥發(fā)生中的作用也幾乎是一無所知。
劉默芳與施惠娟研究團隊從篩無精、弱精癥患者中鑒定到拮抗HIWI蛋白泛素化修飾降解的D-box突變，將此類突變條件型敲入小鼠Piwi基因（Miwi），導(dǎo)致小鼠雄性不育，少精，精子形態(tài)異常、細胞核結(jié)構(gòu)疏松、無活力。研究揭示，D-box突變使MIWI蛋白不能被泛素化修飾降解，導(dǎo)致MIWI蛋白異常積累在后期精子細胞中，造成組蛋白泛素連接酶RNF8被MIWI扣留、不能入核，進而抑制了組蛋白泛素化修飾及組蛋白-魚精蛋白交換的啟動，使得精子變形受阻。而阻斷MIWI對RNF8的扣留可逆轉(zhuǎn)組蛋白-魚精蛋白交換，恢復(fù)精子活動能力，這一策略可用于治療這類無精癥/少弱精癥。這項研究成果首次證明Piwi基因突變可致男性不育，并為這類不育癥的早期分子診斷及臨床治療提供了理論依據(jù)和方法策略。
該項研究工作是一項從人類遺傳學(xué)到動物模型、分子機理及至治療策略探索的系統(tǒng)研究，得到了美國加州大學(xué)圣地亞哥分校付向東教授、上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院李崢教授、中科院生化與細胞所李黨生研究員、李勁松研究員和吳立剛研究員等的大力協(xié)助。
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