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深入了解y染色体微缺失

时间: 2019-08-30 09:35:21 作者:海外文献整理

摘要

人类Y染色体携带着一些基因,这些基因负责睾丸的发育以及成年期精子的形成和维持。Y染色体的长臂(Yq)包含许多扩增序列和回文序列,使其在精子生成过程中易于发生自发重组,因此更容易发生染色体缺失。这种缺失导致Y染色体基因拷贝数变异,从而引起男性不育。在不育男性中反复出现的三种常见的Yq缺失被称为AZF(无精子因子)微缺失,即定义为AZFa、AZFb和AZFc三种亚型。根据近4万条Y染色体的数据估计,全球不育男性中Yq微缺失的患病率为7.5%。然而,欧洲不育男性对Yq微缺失的易感性较低,以美国和东亚不育男性患病率最高。此外,AZFc位点的部分缺失虽然与不育有关,但其影响范围却与种族有关。对来自男性的17000条Y染色体的分析表明,白种人和蒙古男性的gr缺失与男性不育有关,而非洲和德拉威人的b2/b3缺失与男性不育有关。在临床上,Yq微缺失的筛查有助于临床医生确定男性不育的病因,为患者制定合理的治疗策略。由于这些缺失是通过生殖传播给子代男性的(而且是100%传给子代男性),因此对Yq缺失的检测将使夫妇能够在知情的情况下就子代男性不育做出选择。随着Yq缺失与睾丸癌和神经精神疾病的关系逐步被阐明有极大的关联性,因此需要更长期的随访数据。如果发现确实有明确的线性关系,这一发现将改变目前男性遗传学对不孕不育的看法,并可能对男性健康产生广泛的影响。

背景

人类精子的产生是一个复杂的生物学过程,从精原细胞有丝分裂产生初级精母细胞,初级精母细胞又经历第一次减数分裂形成次级精母细胞。在二次减数分裂周期后,这些次级精母细胞产生单倍体细胞,又称为圆形精细胞,随后逐步形成细长的精细胞,最终分化成成熟的精子。精子的形成过程依赖于多种激素、局部分泌因子和睾丸特异性基因的协同作用。其中任何一种的缺陷都可能导致精子的生成受损,从而导致男性不育。根据世界卫生组织(WTO)的定义,男性不育是指男性伴侣不能导致正常女性怀孕。全球约有3000万男性不育,其中最大的男性不育群体出现在中欧和东欧(8-12%)以及澳大利亚(8-9%)。根据世界卫生组织所总结的男性不育可根据精原细胞的分解过程分为以下几类:

  • 无精症:即没有射出精子的情况,它又可以分为阻塞性无精症(OA)和非阻塞性无精症(NOA)。在所有无精症病例中,NOA占60%。
  • 少精症:射精时精子数小于15-20×106
  • 严重少精症:射精时精子少于5×106
  • 正常精子:射精中精子的正常值
  • 弱精症:在少于50%的精子中观察到的低活力水平
  • 畸形精子症:少于30%的精子有正常的形态
  • 无法射精:射精失败

男性不育的原因

男性不育可归因于多种因素,如隐睾(阴囊中没有睾丸)、精索静脉曲张(阴囊中管状静脉丛异常增大)、内分泌紊乱、精液通路阻塞/缺失、疾病感染、饮酒或化疗。然而,基因改变也已经成为男性不育的主要原因之一。不育男性常见的遗传缺陷包括核型异常、基因拷贝数变异(CNVs)、单基因突变和Y染色体长臂缺失(Yq微缺失)。这些遗传缺陷在发育过程中阻碍男性性腺或泌尿生殖道的发育,导致生殖细胞生成和发育成熟受阻,或直接生成无生殖功能的精子。在众多因素中,核型异常和Yq微缺失是男性不育的最主要遗传原因。在这篇综述中,我们介绍了目前关于人类Y染色体及其基因的知识,以及这些基因的缺陷如何导致男性不育。

人类Y染色体

哺乳动物的性染色体至少从1.8亿年前的常染色体进化而来。Y染色体分化的第一步是获取睾丸生成基因,然后大规模逆转录,逐步转化,形成X染色体和Y染色体的重组。关于人类Y染色体的进化及其现状的详细综述是《细胞遗传学》的基础内容。根据《细胞遗传学》所述,人类Y染色体是一个近端着丝染色体,由两个伪常染色体的区域(PARs):短臂(Yp)和长臂(Yq)中间由一个着丝粒分开(图1)。

人类Y染色体的结构。伪常染色体区(PAR1和PAR2)位于Y染色体的末端。绿色的方框显示了这些区域编码的基因。Yp是Y染色体的短臂,其中的基因显示在PAR1中。长臂Yq由常染色质和基因不活跃的异染色质区域组成。该区域含有无精子因子AZFa、AZFb和AZFc。粉红色的标记显示了AZFa区域的基因。异染色质没有任何已知的基因。超出PAR的区域称为Y 上的男性特异性区域(MSY)

伪常染色体区(PAR)

Y染色体的PAR1和PAR2是哺乳动物X染色体和Y染色体之间同源性较短的区域;PAR1位于Yp,PAR2位于Yq(图1)。由于多样性的基因序列X和Y染色体,他们不接受:在减数分裂中配对,除非PAR重组的 X染色体在减数分裂。然而,PAR的重组和配对在时间和基因组成上与基因组的其他部分不同。与常染色体相比,PAR具有延迟双链断裂(DSBs)的形成和配对,这是因为PAR仅在所有常染色体DSBs修复后才可启动的形成。

尽管这种延迟的重组,PAR1的交叉率比常染色体发生得更快。在小鼠中,平均每1千万碱基对中就有一个减数分裂的DSB形成,而在PAR中,DSB一般只跨越0.7 Mb。与常染色体中较少但数量较大的环相比,脱氧核糖核酸[DNA]在PAR中被裂解成多个小环,从而允许在PAR中形成更大的DSB。事实上,实验报告显示PAR1包含几个重组和配对热点,这些热点的活动在不同人群中存在显著差异。PAR中DSB形成的遗传控制也不同于常染色体。常染色体配对取决于SPO11βm和SPO11α的依赖。已经在老鼠实验中观察到由于雄性老鼠缺乏SPO11α导致Y染色体微缺失从而导致不育,而常染色体的SPO11βm和SPO11α如果缺失却不影响生育。有趣的是,研究还发现人类PAR1缺失与男性不育有关,PAR1重组和配对的减少与精子染色体非整倍性频率的增加有关,从而导致后代的x染色体单体综合征(特纳综合征)或XXY综合征 (克氏综合征)。这些观察结果表明,尽管Y染色体部分的行为与常染色体几乎完全一致,但它们的机制是不同的,并且它们都具有独特的遗传控制能力。

PAR1和PAR2的基因

尽管与常染色体相比,PAR具有不同的遗传控制能力,但在遗传内容和功能方面,这两个PAR之间也存在很大差异。共包含至少29组基因,在细胞信号、转录调控和线粒体功能中发挥着不同的作用。PAR1包含基因,已知所有这些基因都可以避免X染色体失活。有趣的是,PAR1基因缺陷与精神障碍和生理障碍有关。PAR1中导致身材矮小的SHOX基因缺失与特纳综合征的身材矮小有关;SHOX基因突变在特发性生长迟缓患者中也有相关报道。PAR1位点也被报道与精神分裂症和双相情感障碍有关。

另一方面,PAR2是处在一个更短的区域,只包含320 kb碱基对。与PAR1基因不同的是,PAR2基因的交叉频率与基因组平均水平相似,而且无论性别。这表明其行为与许多常染色体区域相似。PAR2对于生育能力不是那么不可或缺的。与基因碱基对丰富的PAR1不同,PAR2区域只包含5个基因,其中两个基因HSPRY3和SYBL1在Y染色体上失活,在雌性中则会导致X失活。

除了PAR1和PAR2,其实应该还存在一个3.5Mb的区域,称为PAR3。这个区域据说起源于Xq21.3的位置,大约在500万到600万年前,当一个3.5Mb的X染色体区域在Yp11.2处经历了Y染色体的复制和换位时已经逐步被机体淘汰掉了。据报道,Yp11.2和Xq21.3具有98.78%的同源性和高浓度的串联重复序列。有趣的是,等位基因不等重组也发生在两个X转置区域之间。然而,这一PAR3区域只在所有人类里的2%中发现,而这一PAR3的功能意义(如果有的话)至今仍是未知的。

Y的非重组区(NRY)

NRY被定义为在减数分裂过程中由于与X染色体缺乏同源性而不发生重组的部分以外的位点。细胞遗传学上,该区域可分为两个区域,即异色区和真色区。Y染色体的异色区包括远端Yq,远端Yq包含两个高重复序列家族DYZ1和DYZ2。在临床上,Y染色体长臂异染色质大小的变化已经被发现和讨论研究,但其临床意义仍不清楚。

真色区包括近着丝粒区和Y的短臂和长臂。这个区域也被称为Y上的男性特异性区域(MSY),长期以来被认为是一个功能性的重要组成。因此,过去二十年的研究揭示了从性别决定到大脑功能调节等真色区域的重要作用。下面讨论的是我们目前对人类MSY和该区域影响人类健康的变化的理解。

Y的全色区域

Y的全色区域位于PAR1的远端,由短臂旁着丝粒区域、着丝粒区域和长臂旁着丝粒区域组成=。该区域包含的序列被细分为三个离散类:x转置、x退化和x扩增。X转置序列之所以如此命名,是因为大约3-4百万年前发生了一次大规模的X-Y转置。这些序列大多由重复的基因组成,如逆转录病毒和长线型穿插内核因子[LINE1]。部分属于该区域的基因具有普遍的组织表达;扩增序列包含基因和转录单元,这些基因和转录单元仅在睾丸中表达。MSY基因的蛋白产物有助于性腺的形成、精子形成的调控、大脑、心脏和肾脏的发育,提示其在组织发育和成体功能中发挥的重要作用。大约70个基因已经在Y染色体上被鉴定出来,下面描述的是其中的一些基因。以下列出了Y染色体上的不同基因及其在精子发生中的表达、功能和作用。

Y染色体短臂上的基因[Yp]

Y上的性别决定区域[SRY]

1959年,关于克氏综合征和特纳综合症的两篇科学报告首次被报道,大家发现人类Y染色体至少含有一个决定性别的基因,该基因负责胚胎的雄性化。随后,大量的性别逆转患者被发现存在Yp的部分缺失(男性化第二特征不明显)或Yp的额外缺失(XXY)。这些患者对SRY基因的发现做出了巨大贡献,SRY基因在胚胎发生过程中负责睾丸的检测。1990年,负责睾丸测定的基因SRY(Y染色体上的性别决定区域)被发现,SRY基因位于Y染色体短臂上,接近伪常染色体的边界处。这个基因被认为是由SOX3基因的突变进化而来。人类SRY基因是一个单外显子,它编码了一个包含204个氨基酸的蛋白质,其中包含一个保守的DNA结合域。SRY是启动睾丸发育和双潜能性腺向支持细胞分化的关键,支持雄性生殖系的分化和发育。因此,该基因被认为是调节睾丸检测和关联性的主基因。SRY基因的突变在大约15%的46XY男性中被发现(单纯性腺发育不全);据报道,SRY基因易位到X染色体的一个末端上。除了在睾丸发育过程中表达外,SRY在成年男性的睾丸中也有表达,甚至在射精时也有表达,其功能意义尚不清楚。此外,SRY在脂肪、食道、胸腺、肾上腺、脑肾等其他体细胞组织中也有表达,在一些癌细胞系中也有表达,提示其多功能性已经远远超出决定性别这一领域。

Y连锁锌指蛋白(ZFY)

Y染色体p臂上的另一个基因是ZFY,它编码一种含锌的脂状蛋白,具有转录因子的功能。表达于几乎所有的体细胞组织内,被认为在精子生成和成熟发育中发挥作用,特别是在促进减数分裂和精子形成方面。虽然敲除ZFY基因的小鼠是不育的,尽管它可以在多个组织中表达,但在男性中罕见的ZFY和SRY缺失与特纳综合征本身无关。到目前为止,还没有ZFY基因突变的报道,说明ZFY可能没有任何重要的体细胞功能。

Y连锁牙釉质蛋白(AMELY)

AMELY是一种编码在细胞外基质蛋白的牙釉质家族成员,这种蛋白在牙釉质发育过程中参与生物砂化。这个基因在X染色体上有一个副囊,AMELX基因的突变导致了牙釉质蛋白不全。AMELY仅在X连锁牙釉质蛋白(AMELX)和牙釉质蛋白水平的表达有10%的影响,而在AMELY缺失的男性,但没有明显的表型,表明AMELY缺失没有主要的不良影响。

转导蛋白样1Y[TBL1Y]

Β-转导蛋白样1Y(TBL1Y)中的转导蛋白是TBL1X的y连锁同源基因,与x连锁的晚期感音神经性聋有关。TBL1Y的同源基因TBLR1和TBL1X是几种核受体和转录因子的辅助抑制因子/辅助激活因子。最近的一项研究表明,在人类胚胎干细胞的心脏分化过程中,bb表达有差异。有趣的是,我们注意到TBL1Y蛋白在分化过程中显著增加,而TBL1X的表达水平同时下降。当TBL1Y的细胞水平降低时,作者观察到心脏分化率降低,收缩受损的可能性增加,这表明TBL1Y降低可能对心脏发生有负面影响。另一项研究报告称,Y染色体的TBL1Y(A)-USP9Y(A)单倍型(只存在于非洲裔黑人中)促成了一种有利的脂蛋白模式,这种模式很可能有助于降低他们对冠心病的易感性。TBL1Y在睾丸中的作用(如果有的话)至今仍然未知。

Y连锁原钙粘蛋白11(PCDH11Y)

人类Y染色体p臂的另一个基因是PCDH11Y。该基因在PCDH11X上有同源基因,这是一种原钙粘蛋白,在包括睾丸和大脑在内的多种组织中表达。在脑发育和脑不对称的建立过程中,它被认为在细胞转换细胞识别中发挥作用。删除了X或Y染色体的 PCDH11都会造成语言延迟,因此认为这是有关联性的。

Y连锁睾丸特异性蛋[TSPY]

Yp有一系列编码睾丸特异性蛋白Y连锁(TSPY)的基因,TSPY也有一个x同源基因TSPX。这些蛋白分别作为原癌基因和肿瘤抑制因子,也是一种细胞周期调节因子。TSPY在包括癌症在内的多种组织中表达,是促性腺细胞瘤的首要基因,TSPY基因的变异与受损的精子生成有关。

Y染色体长臂上的基因[Yq]

虽然Y染色体的短臂被公认为还有一些转录基因与男性不育有关,但Y染色体的长臂被公认为在基因上是非常惰性的。1997年,在定位于Yq的人类睾丸中,发现了12个新的基因以及具有10个全长互补性质的DNA序列基因家族。自这一发现以来,Y染色体在不同物种中得到了很好的注释,一些功能基因被鉴定为功能性表达。根据表达模式,这些基因可分为两类,第一种即具有X的同源基因的管家型基因,它们可以完美避开X染色体的失活。第二种,由睾丸中特异表达的基因家族组成,该基因具有一系列调控功能,属于组蛋白赖氨酸去甲基酶(KDM5D和UTY)等多种类型、转录因子(ZFY)、剪接体成分(RBMY)、译起始因子(DDX3Y和EIF1AY);去泛素酶(USP9Y)表明基因可以调控靶基因在整个基因组中的表达。

人类Yq基因与遗传学

尽管人类Y染色体NRY功能的首次展示是在1997年,但这一基因位点与男性不育的关系早在近40年前就被发现了。1976年,意大利研究人员在1170名不育男性中,发现了6名在显微镜下可检测到的Y染色体q11带远端缺失。分析表明,同一组的6名男性中有2名的Y染色体未被删除,这表明该缺失是从父辈遗传开始的,可能这也是他们无精症的潜在病因。基于这些发现,研究人员提出在Yq基因组中存在一种精子发生因子,称为“无精子因子”[AZF]。随着人类Y染色体物理和分子图谱的出现,AZF位点和男性不育的研究得到了广泛的推进。使用一组分子标记,一系列在Yq中缺失的导致男性无法生育的片段被识别出来。通过对这些患者的缺失片段分析,我们定义了Yq11近端、中端和远端三个重复缺失的非重叠亚区,分别定义为“AZFa”、“AZFb”和“AZFc”。虽然DAZ基因(在无精子症中被删除)被认为是男性不育的一个强有力的候选基因,但对该基因组中是否存在其他影响不育的基因知之甚少。随着第一个完整的AZFc位点序列的获得,以及后来对包括AZFa、b和c区域在内的MSY的详细结构进行了鉴定,从而发现了大量的不育基因。

我们对这些基因的作用的理解主要来自于对少精症和无精症患者的基因分析,这些基因在AZFa、b和c基因组中存在各种缺失。这些研究中有许多本质上是异质性的,可能包括精子发生受损或缺失的男性(主要是非梗阻性少精症及无精子症)。为了简单起见,我们经常使用“不育男性”这个词来描述这些无法正常排出精子的男性,这意味着这些研究可能是在无精症或少精症的受试者中进行的,也可能是在两种情况下都进行的。

AZFa基因座及其缺失

AZFa基因只编码单拷贝基因,并且完全由单拷贝的表达基因组成,这些基因具有X染色体的同源基因,可以避免AZFa基因失活。已经有四个基因被定位到AZFa区域。

Y连锁泛素特异性肽酶9[USP9Y]

早前USP9Y被称为与Y染色体相关的泛素特异性肽酶组成,USP9Y是AZFa亚型区域中被发现的第一个基因,长度为170kb碱基对,由46个外显子组成。该基因编码存在有2555个氨基酸的大型多肽链,大小约300kDa,属于C19半胱氨酸肽酶家族,具有泛素特异性蛋白酶活性。USP9Y通过从蛋白-泛素偶联物中去除泛素,阻止蛋白酶体降解蛋白,从而调控蛋白的利用和转化,同时稳定去泛素化的靶蛋白,在男性生殖细胞发育中发挥重要作用。USP9Y在成人和胚胎组织中无所不在,与x -同源物USP9X有91%的同源性,因此USP9X可以逃避X染色体的失活,所以也可以在许多组织中表达。小鼠中的Usp9x的缺失导致减数分裂过程中精子发生受阻而导致不育。

USPY是AZFa的首选基因之一,因为USPY中存在部分缺失或突变的不育男性。然而,推翻这一观点的证据也可用来描述精子计数正常的男性中USP9Y的缺失,这表明USP9Y对男性的正常精子生产和生育能力不是必不可少的。

除了在精子成长和发育成熟中的作用外,研究还发现USP9Y衍生的9残基肽是一种参与排斥反应的小组织相容性抗原[H-Y抗原]。最近,一项涉及USP9Y (TTTY15-USP9Y)的基因融合与前列腺癌的关系也被报道,表明其功能超出了精子产生的调控。

Y连锁DEAD-box3 RNA解旋酶[DBY]

DBY又称DDX3Y,最早是由Lahn和Page博士在Y染色体长臂5C区域的细胞遗传学位置Yq11.21上发现的。DBY全长15.5 kb,由17个外显子组成,编码为一种保守的ATP依赖性的DEAD-box RNA解旋酶,该酶仅在生殖细胞中表达,据称在细胞周期的G1-S阶段具有相同的功能。DBY在X染色体上有一个同源性的基因组X连锁DEAD-box3 RNA解旋酶(DBX),这两个基因在雄性生殖细胞系的不同阶段表达时,均有>95%的序列相似性。所不同的是,DBY蛋白表达仅限于减数分裂前的男性生殖细胞,而DBX蛋白表达于减数分裂后的精子细胞和多个体细胞组织中。

不育男性AZFa区域缺失分析显示,缺乏DBY的男性要么表现为塞尔托利氏细胞综合征[SCOS],要么表现为严重的低精子生成率,这表明DBY在精子形成过程中起着关键作用。据报道,DBY蛋白可以控制细胞周期蛋白E1的翻译起始表达,这对于细胞周期从G1期进展到S期至关重要。在果蝇实验中,DBY同源物DBX对于生殖系干细胞和精原细胞的有丝分裂进程和存活至关重要。在精子发育成熟过程中,DBY在妊娠17周时开始在人类睾丸生殖细胞中表达,这意味着该蛋白可能在早期精原细胞增殖中就已经发挥作用。这也表明,在AZFa缺失的男性中,生殖细胞的衰竭可能在产前就开始了。事实上,在AZFa缺失的背景下,通过与DBY互补,促进并诱导了多潜能干细胞的生殖细胞样细胞的形成,这表明DBY在人类生殖细胞发育的早期就发挥了相当关键的作用。

Y连锁泛素转录四肽重复序列[UTY]

UTY和泛素转录的四肽重复(TPR)、X连锁泛素转录四肽重复序列 [UTX]基因是四肽重复蛋白家族成员,发生在控制有丝分裂的蛋白中。UTY基因位于AZFa的5C带,包含50个外显子和一个带有多个聚腺苷酸化信号的3'UTR区域。两个UTY转录本在不同的人体组织如脾脏、胸腺、前列腺、睾丸、肠、结肠和白细胞中检测到,但在卵巢中没有转录。

UTY的编码基因是一种男性特异性组蛋白去甲基酶,催化DNA组蛋白H3中的三甲基化赖氨酸-27 [H3K27me3]去甲基化。UTY还参与蛋白质与蛋白质的相互作用,并可能作为蛋白质之间的粘合剂而存在。也有报道表明UTY蛋白是一种极其小的组织相容性抗原,可能引起男性干细胞移植排斥反应。最近的一项研究表明,UTY参与了对前列腺分化至关重要的转录调控作用机制,而该机制的破坏会使男性更易患前列腺癌。另一项研究报道了尿路上皮性膀胱癌男性患者UTY拷贝数的变化。UTY在睾丸癌中的作用目前还不清楚。在数据库中报道了几个UTY的错义突变,其中一些突变的计算分析已经被证明是有害的。然而,这些和男性的不育状况是否有联系尚不清楚。

Y连锁胸腺素连接4 [TB4Y]

TB4Y已经被确定为人类Y染色体长臂上的5D区域。TB4Y在多种组织中均有表达,存在于单个拷贝中,与X染色体同源TB4X的序列相似性约为93%。TB4Y编码是一种新型人类白细胞抗原[HLA]。而其实的HLA-3303是限制小组织相容性抗原,也是自然杀伤细胞的细胞毒性的关键激活因子。然而TBY4与睾丸功能的关系尚不清楚。

AZFb位点、基因及其缺失

AZFb区域位于Y染色体中部区域的Yq11(大概有5-6mb)。AZFb区域有复杂的基因组结构,包含三个副本区域,Y染色体特定重复DNA家族[DYZ],以及 19卫星重复多拷贝序列数组和14个单位都被统称为扩增子。这些序列扩增子被定义为六大家族谱系,由于其相同序列和相同含量均>99%。扩增子的家族是由一个特定的颜色代码(黄色,蓝色,蓝绿色,绿色、红色或灰色),每个家族成员都是由一个数字标识(图2),14个扩增子的单位,7 [yel3 yel4, b5, b6, b1, t1, t2] AZFb限制,而其余与AZFc共享。扩增子也可以根据一种高阶结构组织来分类,这种结构组织基于称为回文结构的连续重复单元的对称阵列组成。AZFb包含P2到P5的回文结构和P1的近端部分。AZFb中存在广泛的扩增领域,可以进行非常复杂的重新排列。精母细胞成熟所必需的关键AZFb区间从P5中心延伸到RBMY1家族内P3的近端,该区间往往超过4mb,包含13个编码基因。

AZFb和AZFc位点的结构示意图描述了各种微缺失是如何产生的。AZFb和c区位于Yq上的真色区。这两个区域共享许多基因[粉色框]。绿色框中显示AZFb区域的基因,蓝色框中显示AZFc区域的基因。灰色箭头表示基因的方向,灰色条表示扩增子组织为回文结构[P1至P5]。AZFb和AZFc位点由许多扩增序列(块箭头)组成,这些扩增序列被标注为六个颜色编码的序列家族(黄色、蓝色、蓝绿色、绿色、红色和灰色),这些统一称为扩增子。彩色箭头的大小和方向表示箭头的长度和方向。AZFb的定义是P5/proximalP1缺失(yel3/yel1),有6.23MbDNA的缺失; AZFc的定义是b2/b4缺失,有3.5MbDNA的缺失。部分AZFc缺失b1/b3、b2/b3以及gr/gr缺失[g1/g2]、[r1/r3]、[r2/r4][虚线框内]的三种变异去除了近一半的AZFc基因含量。阴影部分描述了Y染色体微缺失的缺失确切位置。

AZFb和AZFc的全尺寸显像等比缺失

AZFb是非常容易引起NAHR非同源重组的区域,和AZFc相比,这两个区域都经常发生缺失,比较经典的比例是b区的6.23Mb和C区的7.7Mb。6.23 Mb,是一种完全或经典AZFb缺失(P5 /近端P1)对应于区间包含扩增子yel3和yel1之间,主要是由于发生同源片段之间的不平等交换导致他们的缺失是按照固定比例缺失。这种经典的缺失与AZFc近端部分重叠在1.5 Mb内,导致至少32个编码基因和转录本丢失。AZFb和AZFc同时缺失发生在P4/P1远端(7.0 Mb,删除38个基因拷贝)和P5/ P1远端(7.7Mb,删除42个基因拷贝)之间的两个断点。AZFb基因共包含五个不同的单拷贝转录单元。然而,我们对发生这些基因的等比缺失所造成的生物学功能影响知之甚少。

Y染色体连锁细胞内囊泡15 [CYorf15]

cyorf15a和CYorf15B是AZFb中的单拷贝基因,它们具有X同源基因CXorf15,被认为与细胞内囊泡交换中涉及的taxilin家族蛋白有关。

Y连锁核糖体蛋白S4[RPS4Y2]

真核核糖体蛋白S4(S4e)在哺乳动物中呈Y链组成,而在所有灵长类谱系中均存在Y链同源蛋白(RPS4Y1)。在人类中,第二份Y连锁基因(RPS4Y2)早已经退化,它是大约3500万年前,在旧大陆猴子受到辐射之前由RPS4Y1基因复制而来的。RPS4Y1在睾丸和前列腺中表达,在精子生成和成熟发育过程中表达较高。它的编码是一个结构固定的核糖体蛋白亚基,该亚基是mRNA与核糖体结合所必需的,并在精子形成过程的转录后调控中发挥重要作用。

Y连锁真核转录起始因子1A[EIF1AY]

EIF1AY基因广泛表达,是参与转录起始的EIF-1A家族的y连锁成员。在蛋白质生物合成过程中,EIF1A蛋白增强核糖体解离成亚单位,稳定43S复合物与帽状RNA末端的结合。研究表明该基因与缺血性脑中风有关。该基因广泛表达于多种组织中,其生物学作用尚不清楚。然而,该基因在小鼠中与SRY基因的密切同源性基因(Eif2s3y基因)足以诱导睾丸分化并启动精子形成,直至XX小鼠的圆形精子单体阶段,提示其在精子形成中的作用。

赖氨酸去甲基酶5D[KDM5D]

该基因有多个名称,如Jumonji At-Rich Interactive Domain 1D [JARID1D]、组织相容性Y抗原[HY]和H-Y抗原[HYA]。认为KDM5D在减数分裂过程中通过去甲基化二甲基化和三甲基化H3K4在染色体缩合过程中起着至关重要的作用,从而解释了在精母细胞阶段观察到的与AZFb缺失相关的成熟停滞作用。KDM5D酶在精子发生过程中与MutS蛋白同源物5[MSH5]的DNA修复因子形成蛋白复合物,在瘦素/合子素缩合DNA中可以发现,这表明参与了男性生殖细胞染色质重构。尽管该基因具有明显的雄性种系特异性功能,但该基因却无所不在地表达,并且与x基因KDM5C同源。KDM5D也被报道在前列腺癌中具有肿瘤抑制功能。该基因调控侵袭相关基因,KDM5D的丢失导致细胞获得侵袭性作用,从而导致转录的发生。最近的一项研究提供了证据,表明KDM5D通过与雄激素受体信号发生相互作用,在确定多西他赛(用于治疗前列腺癌)敏感性方面发挥了重要作用,其表达水平与临床效果相关。

X连锁Kell血型前体-Y连锁[XKRY]

XKRY在AZFb的黄色扩增子中存在两个拷贝,该扩增子编码是一种与XK类似的蛋白,XK是一种拟定的膜转运蛋白。通过对一组Y染色体部分的分析,该基因被确定为人类Y染色体长臂上的5l区域。该蛋白的功能尚不清楚,在精子发生过程中未发现其作用。

Y连锁热谱系转录因子[HSFY]

该基因与位于AZFb位点b5和b6的两个活性拷贝的蓝色扩增子对应。在AZFb位点HSFY中存在两个编码拷贝HSFY1和HSFY2。虽然HSFY与热谱系转录因子型(HSF) DNA结合域具有同源性,但它不与热谱系元件结合,在精子发生过程中也没有发现HSFY靶向细胞的启动子。HSFY在Xq28、HSFX1、HSFX2处都有同源基因,但HSFY仅在睾丸和附睾主细胞中表达。

HSFY是所需雄性功能和精子形成明显的四个男性不育患者的必要基因,缺失768 kb在P4回文结构的近端一侧。AZFb间隔导致HSFY1和HSFY2损失,同时伴随六个非编码转录单位FAM41AY2 NCRNA00230B, TTTY9A, TTTY9B, NCRNA00185 TTTY14 的缺失。另一项研究也报道了AZFb的部分缺失,该缺失除去了HSFY基因和其他三个基因[KDM5D, CYorf15A和CYorf15B]有关外,表明仅仅只影响无精症患者的HSFY功能拷贝而已。

基因缺失的转录因子也得到了功能医学研究的支持。HSFY在生殖细胞的细胞核中显性表达,在圆形精子细胞中表达最多。成熟但停滞生长的男性睾丸中HSFY蛋白水平降低,这与该基因调控精子发生有关。

Y连锁PTPN RNA13[PRY]

PRY是一种睾丸特异性基因,其编码是一种类似于酪氨酸磷酸酶的蛋白,属于非受体RNA类型13。该基因含有两个几乎相同的拷贝,PRY1和PRY2,映射到AZFb区域的蓝色扩增子,这两个功能单元被限制在b1和b2区域内。

PRY在生殖细胞中的表达是不均匀的,仅在少数精子和精子细胞中可以检测到该蛋白。此外,从精液参数异常的男性获得的精子中,PRY水平升高,提示其表达与精子发生缺陷有关。PRY基因被认为参与调控精子细胞凋亡,参与异常精子的清除。包括PRY1和PRY2基因在内的缺失也报道了其导致减数分裂停滞。研究表明,当RBMY和PRY缺失,AZFb区域的所有基因都会被删除,从而引起精子发生过低,但如果RBMY和PRY都被删除,精子发生完全停止游动的现象。这说明这两个基因是参与生育的主要基因。

Y连锁核糖核酸结合序列[RBMY]

RBMY是AZFb区域最重要的基因之一,大约有6个这种基因的拷贝分布在Y染色体中。RBMY1A1基因家族确定为YRRM基因家族(Y染色体识别RNA结合序列)和第一个精子缺乏的标记物。此类基因的蛋白质家族的特点是存在一个氨基端的RNA识别因子(RRM),负责与靶向RNA分子的相互作用。与其他RBM基因相比,RBMY1A1含有一个c蛋白相互作用重复区域,该区域富含丝氨酸、精氨酸、甘氨酸和酪氨酸[SRGY]。这可能是调控RBMY1A1功能的调控区域。

RBMY1A1通过建立多个蛋白-蛋白和蛋白- RNA复合物,参与减数分裂和减数分裂前调控的特殊复合物。RBMY1编码是一种睾丸特异性RNA结合蛋白,在精原细胞、精母细胞和圆形精子细胞的细胞核中表达,该蛋白在AZFb缺失的男性睾丸中表达减少。有趣的是,随着减数分裂的进行,RBMY在生精细胞中的亚细胞分布有所不同(图3)。精原细胞的RBMY定位为两个病灶,一个位于核仁,另一个位于亚核区。而在精母细胞中,RBMY呈点状分布于细胞核内,亚核灶保留。在粗线细胞中,RBMY沿着凝聚染色体的长度分布。有趣的是,在圆形和细长的精子细胞中,RBMY被排除在细胞核之外,而限制在细胞质内,并保留在射精精子的中间部分(图3)。事实上,对人类睾丸RBMY结合转录组的分析已经鉴定出20个靶向基因,其中一些是睾丸特异性的,而且具有多种细胞功能,并被认为在精子形成过程中起到调节交替剪接的作用。

RBMY在人类精子发生过程中的表达。采用温和的胶原酶消化法分离睾丸细胞,涂片,并用**液予以固定。用一种针对人类RBMY的抗体对细胞进行检测,并使用FITC标记的二级抗体进行校正。细胞在荧光显微镜下成像,并根据细胞大小和细胞核大小确定不同的发育阶段。绿色为RBMY,红色为细胞核。

RBMY1的全尺寸显像

对不育男性的分子分析表明RBMY1拷贝数与精子数量和活力呈正相关。RBMY1拷贝的缺失导致精子数量减少;然而,尽管完全没有PRY基因,但两个RMBY1近端拷贝的持续存在足以避免精子发生失败。这些报告强调RMBY1的存在足以使精子发生在数量减少的同时,在质量上保持完整。有趣的是,与人类不同,敲除Rbmy的小鼠精子生成正常,但精子游动却异常,这表明至少在啮齿类动物中Rbmy对精子生成是有用的,而在精子活力中是非常必需的。事实上,即使在人类中,RBMY蛋白也存在于拉长精子细胞和射精精子尾巴长度。高活力精子比低活力精子携带更多的RBMY1蛋白,而在体外使用抗体抑制RBMY,可以抑制精子活力。

除了睾丸,RBMY还在肝癌中发挥作用,36%的肝细胞癌(HCCs)、67%的肝母细胞瘤和肝癌细胞系中均有RBMY表达。RBMY在小鼠成纤维细胞或在肝脏的体内功能的增加导致体内肿瘤形成,下调肝癌细胞的RBMY可降低其致瘤可能。RBMY据说增加主要在肝细胞癌患者的肝干细胞在正常信号GSK3β-WNT-β连环蛋白信号,从而导致细胞增殖。这些结论提示,除了睾丸RBMY外,还可能作为癌基因靶点,这可能解释了男性在包括HCC在内的各种癌症中的特性。

AZFc位点、基因及其缺失

AZFc位于Y染色体缺失区间6(亚区间6C-6E)的远端,AZFa和AZFb区域是精子生成的起点,AZFc区域是精子生成的终点。AZFc是不育男性AZF位点最常被删除的区域。

AZFc区域横跨4.5 Mb,编码上有21个候选基因和11个转录单元家族,这些基因都在睾丸中特异表达。这个区域包含六个不同的扩增子家族;青绿色、灰色和黄色,出现两次AZFc轨迹,绿色的扩增子发生三次和蓝色和红色扩增子发生四次的轨迹。每个扩增子的家族成员几乎相同,排列成六大重复和三大直接反向重复。三个六大反向重复是回文结构,或接近回文结构,大而且反向重复包含干预序列要短得多。在AZFc区域,六个不同的倒置重复扩增子家族以复杂的重复模式排列,形成三个回文,这是在进化过程中重复和串联倒置的结果而形成的。总的来说,回文P1、P2和P3包含4.5Mb序列中的4.0Mb。回文P1为1.5Mb,臂对臂恒等式为99.97%。在P1的臂部有两个较小的回文结构,即P1.1和P1.2,每个回文的长度为24kb。u1、u2和u3三个非彩色片段分别在该区域出现一次。u1对Yp上的一个位点显示70-85%的同源性,u2对一个点缀的y特异性重复位点显示70-90%的同源性,u3位于Yp 99.7%同源性的65 kb块内。带有2kb段的中心P1和P2回文彼此是相同的。这个轨迹的重复的性质,是与高度重复的异色区域的Yq12,使这个区域非常容易染色体交叉重组,尤其在减数分裂重组中从而使AZFc轨迹容易被删除,其中包含8个基因家族的重复和拷贝数变异。

AZFc中没有单拷贝序列。AZFc区域包括12个基因和转录单元,每个基因和转录单元的拷贝数不同,共32个拷贝。在不同的转录单位中,只有四个蛋白编码基因家族的活性拷贝映射到AZFc区间。这些包括PRY2, BPY2, DAZ和CDY1。这些基因分别定位于蓝色、绿色、红色和黄色编码的扩增子,每个扩增子拷贝一个转录单元。

无精症微缺失[DAZ]

近3500万年前,DAZ作为包含常染色体细菌细胞特异性基因DAZL的DNA片段的转位而起源于Y染色体。两个常染色体DAZ同源体BOULE和DAZL也在人类中被发现,由于其在后来的动物谱系中的固定性,BOULE被认为是DAZ基因家族的创始家族成员。果蝇实验中,同源性功能突变或缺失导致无精症,从而强调了DAZ在精子发生中的作用。

DAZ是第一个从AZFc位点分离到的候选基因,最初被认为是不育男性Y染色体上一个经常被删除的基因。后来发现AZFc区域包含DAZ的回文结构复制,为daz1和daz2、daz3和daz4四个基因簇拷贝。四个DAZ拷贝在精原细胞中表达,编码一种对精子发生重要的RNA结合蛋白,这些基因在生殖细胞发育的所有阶段都有表达。利用人类胚胎干细胞研究表明,DAZ家族基因在生殖细胞形成和减数分裂过程中起到关键作用。因此,所有的DAZ家族基因都被认为是生殖细胞发育的关键。

与RMBY基因一样,DAZ基因也含有RNA识别基序[RRM],表达用于减数分裂前睾丸生殖细胞的细胞质中,使这些基因成为维持生殖干细胞群的候选基因。DAZ蛋白的特征是存在一个或多个DAZ重复序列[24个富含氨基酸的残基],而在某些情况下,DAZ序列被认为介导了与其他蛋白的相互作用。人类DAZ蛋白对发育调控的转录进行运输、激活和储存功能。

DAZ缺失占男性生精缺陷病例的10%。表现出DAZ基因拷贝缺失的不育男性易患无精症或严重少精症。然而,由于人类3号染色体上存在功能同源性基因(DAZLA基因), DAZ基因缺失与无精症之间的直接联系尚不清楚。研究也发现了一个单核苷酸多态性的DAZLA对精子发生缺陷和删除DAZ1/DAZ2已经被认为是严重的遗传症状,尤其是不完整的成熟畸形精子和残余精子形成的表型。

虽然在AZFc完全或部分缺失的男性中,DAZ基因拷贝被删除,但即使没有完全缺失,单个DAZ拷贝也可以被删除或复制。尽管DAZ基因拷贝缺失/复制甚至在可生育的男性中也有报道,但DAZ和CDY1拷贝的缺失会导致精子数量和活力下降。这些报道结果强调了DAZ基因在精子发生中的重要性。从功能上讲,DAZ调控精子发生的机制尚未探索出来,人们怀疑是通过调控RNA转录实现的。人类DAZ基因的靶点尚未确定,已知人类DAZ与其他几种蛋白相互作用,而这些蛋白不一定在蛋白转录中起作用,这表明可能存在其他机制。

Y连锁色域蛋白[CDY]

人类Y染色体在AZFc区域[CDY1A和CDY1B]中有两个相同的该基因拷贝,在回文P5结构中有一对密切相关的基因[CDY2A和CDY2B]。CDY1基因编码是一种含有n端染色质结合域的蛋白[染色质结合域],该蛋白有助于调控基因表达、染色质重构和编码组蛋白乙酰转移酶。据报道,这种蛋白集中在圆形精子细胞细胞核中,在那里组蛋白发生高乙酰化,并导致组蛋白被精子特异性DNA包装蛋白TNPs和PRMs取代。虽然CDY1只在灵长类动物中发现,但人们认为它是1.5亿多年前从常染色体基因CDYL的转录本直接转化为MSY的,是Y染色体上最古老的基因之一。

CDY1和DAZ家族具有常染色体同源性基因,因此y染色体和常染色体拷贝之间存在一定程度的功能冗余,这可能是AZFc缺失的男性无法产生成熟精子的部分原因。在AZFc位点部分缺失的男性中,CDY1基因的两个拷贝都被删除。通过对不育男性AZFc基因拷贝缺失的分析,将dz-cdy1部分缺失分为四种类型,发现只有一种缺失类型DAZ3/4-CDY1a与男性不育相关。在一项类似的研究中,在男性中同时缺失DAZ和CDY1拷贝会导致无精症或严重的少精症,也有报道称,仅缺失CDY1b拷贝就与少精症/无精症有关。然而,一些CDY1缺失的男性(单独或与DAZ结合)具有生育能力/正常精子周期,这一事实表明,这些基因在精子形成过程中并非不可或缺。除了作为组蛋白乙酰转移酶的功能,对CDY1的分子功能目前知之甚少。

Y连锁碱性蛋白2[BPY2]

BPY2基因在睾丸中有特异性表达,其蛋白产物参与男性生殖细胞的发育。该基因在Y染色体上存在三个几乎相同的拷贝BPY2A、BPY2B和BPY2C,其中两个拷贝位于gr/gr缺失的边界,位于DAZ基因簇的侧边。BPY2定位于精母细胞、圆形精子细胞和精原细胞的细胞核中。BPY2基因编码是一种带正电荷的微小蛋白,该蛋白被认为参与了精子形成过程中的细胞骨架调控。由于其小尺寸和高电荷,它被认为是BPY蛋白质可能在功能上与DNA相互作用的方法,类似于染色体关联蛋白质如组蛋白和低剂量组蛋白质中扮演着某种角色的过程,如转录的规定,复制、重组和DNA修复。据报道,不育男性中BPY2拷贝数改变的频率在中国人口和印度人口中都非常高。BPY2基因的一些遗传变异与SCOs有关。

Y连锁高尔基自体抗原[GOLGA]

GOLGA在AZFc位点上以两个拷贝的形式存在,即GOLGA2P2Y和GOLGA2P3Y,在回文P1结构中以相反的方向排列。然而,我们未能在人类睾丸中扩增特异性GOLGA2LY转录本,RT-PCR实验中一些残留条带的序列分析已被证明来自其同源物的非特异性扩增。GOLGA2LY蛋白在任何睾丸蛋白组中均未见报道。因此,目前还不清楚GOLGA2LY是伪常染色体基因还是转录活性基因。

部分AZFc缺失需要删除的是GOLGA2LY基因的两个亚型。虽然没有归因于GOLGA2LY因素。有趣的是,雄性GOLGA2P3Y删除低精子浓度和能动性与男性相比,没有删除或删除GOLGA2P2Y,表明精子形成两个副本的微分作用。少精症男性的GOLGA2P3Y缺失频率明显高于正常精子症男性,而低精症男性和正常精子症男性的GOLGA2P2Y缺失频率相当。此外,与缺失GOLGA2P2Y的男性相比,缺失GOLGA2P3Y的男性精子浓度和活力降低,这表明缺失GOLGA2P3Y是少精症的一个独立危险因素。然而,假设GOLGA2LY是一个伪基因,并且在睾丸中不转录,这些缺失是如何导致不育是很难确定的。由于这种缺失,AZFc位点的位置变化可能提供了一种可能的解释。

Y连锁硫酸软骨素蛋白聚糖4假基因1,[CSPG4P1Y]

与GOLGA一样,CSPG4P1Y家族的转录单位以两个拷贝的形式存在,被认为是一个伪常染色体基因。CSPG4LY基因的两个拷贝在AZFc区域的b2/b3缺失中被删除。关于这种基因的功能或它的拷贝在维持精子形成中的作用,人们所知不多。

Y连锁睾丸特异性转录4[TTY4]

TTY4基因有三个拷贝,TTY4A, TTY4B和TTY4C。这一基因尚未被详细研究,被认为是一种不编码任何蛋白质的RNA。TTY4拷贝缺失在印度人群中很少见,但是已经发现丢失一个或多个TTY4C拷贝与男性不育有关。综上所述,Y染色体携带的基因不仅在精子形成过程中起着不可或缺的作用,而且在人类健康的多个方面也发挥着重要作用。许多Y编码基因不仅在睾丸中表达,而且在参与免疫功能的组织中也有表达。然而,仍有几个Y基因的功能仍然未知,未来的研究可能为此提供答案。

Y染色体微缺失与男性不育

人类Y染色体在遗传上是动态的,而且由于片段性重复的比例很高,也容易发生显著的变异,这构成了在该染色体的不同位点上看到的大量缺失和重复的原因。由于Yq基因组含有大量的基因,这些基因在睾丸中转录,并且在这些区域的精子发生缺失中起着明确的作用,这将导致不育。临床上,Y染色体的改变可分为:

  • AZF缺失(一个或多个AZF位点完全缺失)
  • 部分AZFc缺失和重复
  • 基因拷贝数变异(CNVs)。

以下是这些缺失与男性不育的患病率和相关性。

Yq微小缺失

Y染色体微缺失是近端Yq上的小的节段性缺失,可切除整个或部分AZF区域(完全缺失)。在对不育男性进行大量缺失图谱研究的基础上,已经报道了五种不同的Yq缺失模式。然而,在临床实践中,这些缺失被称为AZFa、AZFb和AZFc缺失。这些缺失是精子发生失败的主要原因之一,因此筛选AZF缺失已成为不育男性常规诊断工作的一部分。随着特异性标记物的流行,研究AZF位点的简单PCR策略现已在世界各地得到应用,这些地区已显示出Yq微缺失的流行。除了一些早期报道的例外,随着技术的改进,Yq微缺失只在精子异常的男性中检测到,而没有在大量可育男性中观察到,这表明这些缺失是精子发生失败的原因,从而导致不育。然而,也有案例报道显示不育男性的父亲携带这些Yq缺失,这让人怀疑这些缺失本身是否足以导致不育,或者需要基因组中额外的缺陷表达来显示这种表型。

根据全球数据,Yq微缺失估计在普通人群中约发生在1.4万名男性中,但在不育男性中发生的频率约为1:12。>30000名Y染色体AZF的分析微小缺失,全球流行中微小缺失AZF不育男性估计为7%,明显有很大的变化频率表明Yq微小缺失在世界的不同分布(图4),这可能反映了潜在的样本大小的差异,筛选方法和人口比例。基于地理位置的汇总表明,Yq微缺失发生率最低的是欧洲(3%)和澳大利亚(5.3%);而世界其他地区的这一比例平均为8-9%。是什么使得欧洲和澳大利亚的不育男性更不容易受到Yq微缺失的影响值得研究。在亚洲人中,我们观察到Yq微缺失的患病率最高的是东亚人和东南亚人,最低的是南亚人。这表明Yq对微缺失的易感性可能与种族或民族有关。有人认为,Y染色体遗传因素(如单倍体)的影响,影响了部分AZFc缺失的易感性。这些单倍体是否也有助于Yq微缺失的发生还有待研究。由于全球数据来自不同的群体,并不是所有的研究都报告了被调查人群的种族,所以我们无法确定不同的遗传背景对Yq微缺失患病率的影响。

世界地图描绘了在不同国家的不育男性中Yq微缺失的流行情况。Yq微缺失在世界不同国家的流行情况是根据来自不育男性的约40127条Y染色体的公开数据估计的。(少精或无精男性)。只考虑那些以英文发表的文章,并研究了不育男子的总数和被删除的人数。对来自不同研究的每个国家的数据进行汇总和平均估计

不育男性中Yq微缺失的患病率。Yq微缺失在世界各大洲的平均患病率是根据已发表的40127条不育男性Y染色体的数据估计的。不育男性可以是少精子或无精子男性。饼图给出了Yq微缺失在亚洲地区的分布情况。这些数字是根据亚洲男性的地理位置数据估算出来的。在这两种情况下,只考虑了那些以英文发表的文章,并研究了不育男子的总数和被删除的人数。来自同一大陆的不同研究的数据汇集在一起,并平均估计

AZFc的全尺寸显像

无论研究人群如何,AZFc在不育男性中最常见缺失的[60-70%],其次是AZFa[0.5-4%]、AZFb[1-5%]和AZFb+c[1-3%]缺失。虽然这些是全球的估计,但令人感兴趣的是,在不育男性中被删除的各种AZF位点的频率在不同人群中是不同的。虽然印度人口中AZFc缺失的频率低于西方人口(45%对60%),但AZFa缺失的频率几乎是西方人口的两倍(11%对5%)。此外,印度人群中双缺失的频率(AZF a+b, b+c)也高于世界平均水平。在伊朗人群中也观察到不同AZF位点缺失频率的类似差异。也有一些异常的缺失组合,如AZFa+c缺失在一些群体中观察到,但在其他群体中没有。有人认为,由于这种异常的缺失组合只能通过分离的标记检测到,而不能通过额外的分析得到证实,因此这些可能是方法学上的不同所导致的。然而,值得注意的是,这些缺失在不同人群中反复出现,并且仅在不育男性中使用多种标记检测到。因此,不应忽视这些缺失模式。需要更多的数据来了解这种缺失的分子生物学基础。

Yq微缺失的表型表现

AZF缺失是不育男性特有的,因此将Y染色体缺失视为少精症/无精症的原因而不是“不育”的原因是合适的。总的来说,在睾丸发育异常的男性中,如精子过少生成和精子成熟停滞的比例为25-55%,而严重少精症或无精症的男性中,Y染色体微缺失的比例为5-25%。然而,根据AZF位点的不同,表型表现据报道各不相同。

AZFa缺失

总的来说,整个AZFa区域的缺失总是导致SCOS和无精症。由于AZFa基因位点内的基因在出生前就在生殖细胞中表达,因此这些基因的缺失可能导致生殖细胞发育过程中就已经死亡,直接导致SCOS。然而,部分无精症缺失与从无精子症到正常精子症等表型相关,这表明基因内容的丢失量是由于无精症缺失而导致无精子症的一个关键决定因素。因此,AZFa区域完全缺失的诊断意味着,在胞浆内精子注射(ICSI)中检索睾丸精子几乎不可能。

AZFb缺失

AZFb位点的基因支持精子的生长和成熟,被认为是精子通过减数分裂进入精子发生的有效进程的关键。AZFb区域缺失的患者往往在精母细胞阶段出现睾丸音型成熟停滞,大多数小管在减数分裂后没有生殖细胞,这并不令人意外。AZFb缺失程度与睾丸组织学表现之间存在明显的相关性。在部分AZFb/b+c缺失标本中,常常观察到过低精子的生成,但在完整的AZFb和AZFb+c缺失标本中观察到更为严重的发现,这表明AZFb缺失并不会导致严重的表型,而是会导致精子发生成熟阻滞。与AZFb缺失相关的成熟停滞表型最可能源于染色体结构缺陷和遗传破坏的组合。

人们普遍认为,在AZFb缺失的情况下,从射精中或通过睾丸提取成熟精子的机会可以忽略不计,尽管已经从含有AZFb缺失的男性睾丸中提取了精子。而这些差异可以反映不同患者缺失程度的异质性。在完全缺失和部分缺失AZFb的男性中发现精子细胞的可能性显著降低。

AZFc缺失

到目前为止,AZFc缺失的男性有最多的可变表型,从完全无精症到轻度少精症。一般来说,AZFc缺失的男性睾丸会有细长的精子细胞,在一定数量的AZFc缺失的不育男性中可以恢复精子。在大多数AZFc缺失的男性中,精子生成已经完成,但精子数量减少导致少精症。

通过精液分析,完全缺失AZFc与精子数量的急剧减少有关,大多数缺失AZFc的男性是严重的少精症,但也有一些可能是无精症。也存在罕见的AZFc缺失男性,他们自然生育了多个孩子,但这些男性的所有儿子都被发现无法生育。

AZFc缺失本身不致病,在过去跟进个案研究时可以看出,在男性的一个Y染色体中的AZFc微小缺失会直接导致精子数量下降,使得少精症患者进展到严重的状态,甚至成为严重无精症(精子缺乏)。这意味着AZFc缺失对精子形成的影响在短期内会恶化,从而导致精子数量和质量的恶化。因此,尽管AZFc缺失的男性可能在射精中含有精子,但他们必须接受精液冷冻保存,以防止在生命后期使用类似洗精技术的侵入性技术来获取精子。

部分AZFc缺失

AZFc区域由重复序列和回文结构组成,因此最容易发生缺失。AZFc的完全缺失涉及b2/b4区域,该区域包含12个基因和多个拷贝数的转录单位。除了b2/b4, AZFc位点还存在许多部分缺失,包括b1/b3 (1.6Mb)、b2/b3 (1.8Mb)和gr/gr(1.6Mb)[186]。这些删除删除了AZFc的独特部分;然而基因删除几乎相似。三种类型的gr/gr删除报道,是由同源重组侧翼g1/g2, r1/r2 r3和r4扩增子的P1和P2回文AZFc。然而这三个的分类需要进一步分析。

没有部分缺失而完全缺失的任何基因家族,但是减少基因的拷贝数家庭除了b1/b3缺失,导致的损失六份的RBMY1和功能性的副本。gr/gr缺失导致损失的两个四组DAZ基因拷贝,CDY1和BPY2基因的两个副本连同BPY2和两个四组DAZ基因。b2/b3的缺失是由gr/gr或b2/b3倒转而来的,并且与gr/gr的基因含量几乎相同。

部分AZFc缺失和男性不育的患病率

由于AZFc具有多拷贝基因,为研究基因剂量对精子发生调控的影响提供了机会,因此对遗传学家和生殖生物学家都具有特殊的意义。人们认为,部分缺失导致AZFc中大量的拷贝数变化,这可能会影响产生的蛋白质的数量,从而影响精子的形成。这为分析男性不育患者临床评价中AZFc的部分缺失奠定了基础。设计良好的PCR策略的易用性进一步促进了全球各诊所和实验室的这一做法。

自第一次报道以来,关于部分AZFc缺失的大量信息在过去15年中积累起来,很明显,部分AZFc缺失与男性不育的关系不像完全AZF缺失那样清晰。这是因为:

  • AZFc部分缺失的类型具有广泛的异质性
  • 可育的正常精子男性也存在AZFc部分缺失

因此,AZFc部分缺失与男性不育的关系受到质疑。最近发表了三篇精心设计的荟萃分析和一篇对>20,000条Y染色体的研究,分析了部分AZFc缺失与男性不育的关系。下面描述的是这些大样本研究的结果。

关于gr/gr缺失与男性不育的关系,目前存在一些争议。在早期有报道称gr/gr缺失出现在3.8%的男性和2.2%的男性不育(精子数量不明的)。然而,随后在许多人群中的研究产生了有争议的发现,即使在精子数量正常的可育男性中也发现了gr/gr缺失。而一些研究表明,与正常生育/正常精子对照组相比,不育男性中gr/gr缺失的频率明显更高,其他人则表示没有这种关联。然而,在两项荟萃分析研究中发现,gr/gr缺失与男性不育之间存在显著关联。我们分析了现有数据,发现在10978条Y染色体中,不育男性和6704条可育/常精子正常对照组中,有gr/gr缺失的不育男性数量是对照组的两倍。有趣的是,gr/gr缺失在非洲和亚洲男性中很常见(10-15%),在其他人群中出现的频率低于5%。此外,gr/gr缺失与男性不育的关系在澳大利亚、亚洲、欧洲和澳大利亚男性中都存在;在美国男性和非洲男性中,这种联系很弱,甚至可以忽略不计。gr/gr缺失与男性不育的关系也与种族有关。在不同种族、gr/gr删除和协会在白人男性和较弱的男性不育症最强的是蒙古人。为什么它的患病率和gr/gr缺失与男性不育的不同人口(地理和种族)有关是一个有争议的问题。这表明,gr/gr缺失对男性不育的易感性差异主要依赖于Y染色体,而且主要是单倍体。第二种观点认为,gr/gr缺失的男性基因复制缺失具有高度异质性。研究表明,并非所有gr/gr缺失的男性都有相同数量的DNA丢失。除了DAZ和CDY1,研究还发现GOLGA2LY和BPY2拷贝数对gr/gr缺失的男性生育能力有保护作用。因此,AZFc位点的基因含量和基因剂量效应是存在gr/gr缺失的男性生育能力的决定因素。

gr/gr和b2/b3缺失与男性不育的关系。数据来源于以前的研究。gr/gr数据分别来自不育男性的10978条Y染色体和可育男性的6704条Y染色体。b2/b3的数据分别来自可育和不育男性的9981条Y染色体和5990条Y染色体。不育男性可以是少精或无精男性。有生育能力的男性是正常精子/已证实有生育能力的男性,精子数未知。数据是根据大洲或种族划分的。

*表示值与可育对应物有显著差异

b2和b3缺失

与gr/gr相比,b2/b3的缺失量稍微大一些(1.6 Mb到1.8 Mb)。与gr/gr不同,b2/b3部分缺失与生精失败之间的关系不确定。分析17784 例Y染色体不育男性和11684例 Y染色体男人显示b2和b3缺失和男性不育的相关性。就像在gr/gr,男性不孕症的患病率和协会和b2和b3删除不同地理位置和人口研究的是基于种族。无论生育状况如何,b2/b3缺失的患病率在亚洲人中最高(约3%),在欧洲人中最低(约0.5%),在这两种情况下,其发生频率在可生育男性和不育男性中没有显著差异;澳大利亚男性未发现b2/b3缺失与男性不育有关联。有趣的是,虽然gr/gr缺失与非洲男性不育没有显著关联,非洲裔不育男性中b2/b3缺失的患病率高于正常精子/可育计数部分(1.17对0.25),这种差异非常显著。智利男性中也发现了类似的关联,b2/b3缺失只在不育男性中报告。然而,b2/b3的缺失似乎与美国男性不育无关。

比如gr/gr, b2/b3缺失与男性不育的关系似乎也与种族有关。b2/b3缺失与德拉威人和黑人白人男性的男性不育密切相关,蒙古男性每周发生一次,而白人男性则没有。这种模式似乎与gr/gr缺失互补。gr/gr而不是b2/b3的缺失与白种人男性不育密切相关,b2/b3而不是gr/gr与德拉威人和白种人男性不育密切相关。在蒙古人群中,这两种缺失都有不孕的风险,尽管风险很小。这些观察结果很有趣,表明无论缺失的类型和群体,AZFc中基因拷贝的缺失都会增加个体对精子数量减少的敏感性。然而,为什么一种缺失在一个群体中是致病的,而另一种缺失在另一个群体中却不是致病的,还需要进一步的研究。

b1/b3缺失

b1/b3的缺失不同于gr/gr和b2/b3的缺失,因为这一缺失包含了AZFb的一部分,导致RBMY1和PRY的6个拷贝缺失。很少有研究报道b1/b3的缺失与男性不育的关系。在对20,000条Y染色体的分析中,b1/b3缺失估计发生在每994名男性中,但这种缺失增加了精子发生失败的风险。然而,这种缺失在大多数人群中非常罕见,因此它与男性不育的关系在大多数人群中并不为人所知。

Y染色体拷贝数变异与男性不育的关系

拷贝数变异[CNV]被定义为与参考基因组相比,具有可变拷贝数的长度大于1kb的DNA片段。CNVs通过不同的机制产生表型,包括基因剂量、中断基因的存在、融合基因的产生、隐性编码区域的暴露、突变或其他功能snp以及位置效应。所有不同的AZF微缺失都可以被认为是大的CNVs,因为它们改变了Y染色体上基因的拷贝数。此外,不稳定的AZFc区域易于发生几种类型的重新排列,从而导致其包含的基因家族的累积拷贝数发生变化。这些导致基因CNVs的AZF完全或部分缺失会破坏精子的形成。除了这些AZF位点外,对男性不育患者Y染色体全长的CNVs也进行了研究。分析发现MSY在CNV男性中,大量重复包含amee TBL1Y基因,TSPY集群的部分缺失,RBMY基因的数量和重复的变化的AZFa区域报告表明Y染色体基因是高度多态的人群分布。为了了解基因拷贝数变异(CNVs)与男性不育之间的关系,我们使用SNP序列分析了68例明确定义的男性特发性睾丸成熟迟缓的组织病理学确诊病例。结果显示,5例为PAR 1和PAR 2的CNVs, 19例为PAR 3的CNVs, 16例为TSPY2基因扩增。本研究未对精子发生正常的男性进行研究;很难确定这些CNVs的意义。然而,基因拷贝数异变是生物重要的发现,在染色体结构畸变部分由于这些基因拷贝数异变,在逻辑上扰乱减数分裂。此外,PAR区域富含逃避X染色体失活以维持剂量补偿的基因。这些PAR的CNVs(缺失或重复)可能导致这些基因的过度表达,从而导致病理表现。然而,除了AZFc基因外,还没有直接研究将CNVs与基因表达和精子发生阻滞进行比较的实验。

Y染色体遗传检测与男性不育的临床意义

虽然在男性不育的检查中需要进行染色体核型分析已得到普遍共识,但在无精症和少精症男性Y染色体微缺失检测的临床应用方面仍缺乏共识。虽然美国生殖医学协会建议对准备进行胞浆内精子注射[ICSI]的男性同时进行染色体核型和Y染色体微缺失研究,但只建议对这组患者进行染色体核型研究。在哪种情况下应该对患者进行Y染色体分子筛查仍然是一个难题。根据数千例患者的数据,Yq微缺失在无精子症或严重少精子症患者中占很高比例,精子浓度为> 5×106/mL的不育患者的缺失发生率通常较低。然而,存在着特定于人口的差异,在这种情况下,国家特定的指导方针是必要的。虽然Yq微缺失在染色体异常、梗阻性无精症或性腺功能低下的患者中不存在分析,但在非特发性不育男性中存在许多缺失载体的例子,包括克氏综合征和精索静脉曲张。因此,任何伴有严重少精症的诊断应作为AZF检测的一个指标。我们推荐在常规临床实践中进行Yq微缺失检测,原因如下:

  • 确定不育的原因:Y染色体包含精子形成所需要的几个基因,而丢失一个或多个这样的基因会导致这一过程的损伤。通过研究Y染色体微缺失的存在,有可能确定男性不育的潜在遗传病因,并对异常表型实施适当的筛查策略。关于这些缺失的知识也将帮助临床医生为不育夫妇所面临的问题提供更有效的解决方案。例如,低精子数和活力可以通过激素、抗氧化剂和生活方式的改变来改善精原细胞。然而,如果不孕的原因是遗传的,这些治疗策略将会失败。此外,AZF筛查在精索静脉曲张切除术前也很重要,因为删除载体很可能无法从手术中获益。因此,如果检测到缺失,夫妇可以直接接受辅助生殖技术[ART],而无需接受药物治疗来提高精子数量和活力。
  • 预测不育男性的预后:虽然有很多关于AZFc缺失男性可以生育孩子的病例报道,但临床观察到,携带Y染色体微缺失的个体精子数逐渐下降,随着时间的推移可发展为无精症(上文讨论过)。因此,轻度或中度少精症和Yq微缺失的男性可能会发展为无精症,需要多次随访。此外,了解Yq状况将有助于向这些男性患者提供咨询,并为他们今后的生物学检测提供精子冷冻保存的建议。
  • 预测睾丸吸精结果[TESA]:大多数Y染色体微缺失的男性不育,射精时精子缺失或很少。为了怀孕,可以直接从睾丸中提取精子,使用的技术包括睾丸精子提取(TESE)或睾丸精子抽吸(TESA)。Yq微缺失的发生和类型与睾丸表型和精子恢复的机会有关。因此,筛选Y染色体微缺失可以帮助预测在进行侵入性手术前获得生物学亲本的成功。
  • 预测ART的成功:大多数Yq微缺失的男性需要ART作为生物学上的父母。尽管还存在争议,但有研究报道,AZF缺失的男性受精率较低、胚胎质量较差、囊胚率受损以及抗逆转录病毒治疗总体成功率较低。因此,Yq微缺失筛查也可以帮助指导夫妻在接受ART治疗后的成功率,帮助夫妻做出理性的决策。
  • 预防遗传缺陷的垂直传播:随着ICSI的出现,在男性伴侣Yq微缺失的夫妇中报告了几例活产。然而,在所有这些病例中,Yq微缺失被传递给同样不育的男性后代,从而导致父亲100%的遗传缺陷和不育。在某些情况下,父亲AZFc的部分缺失导致后代AZFc的完全缺失,这是精子发生失败的一个明确案例。因此,强烈建议所有选择ICSI的不育男性进行Y染色体微缺失检测,以便夫妇能够明智地选择生育有可能在家庭中长期不育的生物父母。
  • 睾丸癌的风险:Y染色体长期以来一直被怀疑是性腺癌的候选基因。在性腺发育异常的个体中,携带完整甚至部分Y染色体片段的个体(即使是在少数细胞中),发生性腺肿瘤特别是性腺母细胞瘤的风险很高。此外,Yq微缺失和CNVs被认为是睾丸癌发生的危险因素。虽然这些都是有限的观察性研究,但大型病例对照研究的结果还有待观察。越来越明显的是,除了不育,Yq微缺失的知识也应有助于预测男性癌症的发生。
  • 神经精神疾病和Yq微缺失:虽然Yq微缺失与不孕密切相关,但现在有报道称,至少有一部分Y染色体缺陷的男性有更高的精神疾病患病率。在最近对42例Yq微缺失患者的分析中,晚期AZFb+c缺失患者的异常身高比例明显高于无微缺失的不育患者。有趣的是,5/42的男性(11%)患有某些形式的神经精神疾病,包括两种双相情感障碍和三种严重的临床抑郁症。临床病史也记录了该队列中的语言延迟、注意力缺陷多动障碍(ADHD)以及包括焦虑和社交障碍在内的情感和行为问题。但非终末期Yq微缺失的不育患者均无神经精神异常病史。而Yq微缺失患者需要进一步的长期临床随访资料;这些初步观察确实表明,除了不育之外,这些男性还存在其他健康风险,这就需要在临床情况下对Y染色体遗传学进行检测。

结论与未来方向

男性不育是一种复杂的多因素疾病,具有高度异质性的表型。Y染色体在精子发生调控中起着重要作用,因为它携带着在睾丸中表达并参与精子发生过程的Y连锁基因。这些基因的重要性是显而易见的,从观察到删除这些基因导致不同的病理睾丸表型。从AZF的第一个分子定义开始,经过20年的时间,Yq缺失筛查现已成为许多国家对不育男性进行的常规检测,以确定男性不育的原因。本试验与精子发生严重受损有明确的因果关系,甚至有助于确定精子提取成功率和辅助生殖成功率的预测。此外,由于这种缺失对雄性后代的传输率为100%,所以夫妻双方需要意识到,下一代的雄性也会不育。进一步的gr/gr删除已知经历扩张导致全部删除(138、196)这对夫妇应该意识到除了义务传播精子生产的遗传风险因素(gr/gr删除)的男性后代,有更高的风险传播的一个完整的AZFc删除,这是精子发生的故障的诱发因素。

除了这些即时应用,还有一些与Yq删除相关的临床相关问题需要紧急关注。目前,没有携带Yq微缺失的男性的长期随访数据,迫切需要关于AZF缺失携带者所生儿童健康状况的数据。这在两种情况下尤其相关:

  • 睾丸癌风险增加
  • 神经功能障碍的可能发生。

由于被删除的Y染色体的不稳定性,增加了缺失扩大的风险,这可能被视为“基因组不稳定性”。在精子生成过程中,这种遗传物质的逐渐丢失可能导致生殖细胞中的性染色体嵌合现象,这可能使它们易于发生睾丸/生殖细胞肿瘤。然而,关于Yq微缺失男性睾丸肿瘤的发生率,尤其是携带Yq微缺失父亲所生的第二代男性睾丸肿瘤的发生率,几乎没有数据存在。

其次,最近的报道显示,不仅在性染色体上,而且在不育男性的常染色体上都有显著更高的缺失负荷,这表明这种缺失对基因组稳定性的影响更为广泛。此外,许多Y连锁基因也在多个组织中表达;由于Yq缺失导致的基因组不稳定和基因表达紊乱如何影响一般的生理功能还没有被研究,这种影响的长期意义还不清楚。最近的数据显示,患有Yq缺失的不育男性中神经系统疾病的患病率更高,因此,我们有必要对患有Yq缺失的男性进行详细的分析,并展望其未来,而不仅仅是讨论不育。我们希望,通过更细致的临床观察和详细的遗传信息咨询将为这些未解的基本问题提供重要的见解,并为雄激素遗传学领域提供一个崭新的视角。

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