Nature子刊 | 胡志斌/吴鑫/颉伟合作发现男性不育的致病新机制

南京医科大学胡志斌、吴鑫及清华大学颉伟共同通讯在Nature Communications 发表题为“Phase-separated CCER1 coordinates the histone-to-protamine transition and male fertility”的研究论文，该研究报道了一种生殖细胞系特异性和内在紊乱蛋白(IDP)，卷曲螺旋富含谷氨酸蛋白1 (CCER1)介导减数分裂后精子细胞分化。相反，CCER1缺陷导致小鼠精子染色质致密和不育。CCER1增加了过渡蛋白(Tnp1/2)和鱼精蛋白(Prm1/2)的转录，并介导了组蛋白-鱼精蛋白(HTP)转换过程中的多种组蛋白表观遗传修饰。

CCER1不溶于核内的异染色质，自组装成聚合物液滴，在核内形成液-液相分离的凝集物。值得注意的是，在5例非梗阻性无精子症(NOA)患者中发现了人类CCER1 (hCCER1)的功能缺失(LoF)变异体，这些变异体在2713名可生育对照中没有。突变体导致CCER1翻译提前终止或移码，并破坏体外凝聚体。综上所述，该研究提出细胞核CCER1是一个相分离的凝集物，它连接组蛋白表观遗传修饰，HTP转换，染色质浓缩和男性生育力。

精子发生是最复杂和连续的细胞分化过程之一，其特征是染色质组织和结构的广泛重编程。与体细胞分化相反，精子发生过程中的组蛋白-鱼精蛋白（HTP）的转换对于整个基因组包装到高度浓缩的精子核中至关重要。大多数核心组蛋白最初被睾丸特异性组蛋白取代，然后是转换蛋白，然后是鱼精蛋白，鱼精蛋白促进染色质压缩，进而导致染色质结构重塑。

除了参与这一谱系特异性发育程序的因素外，表观遗传调控是HTP过渡的关键。组蛋白不同翻译后修饰的共价结合导致染色质构象、核小体稳定性和/或组蛋白- DNA相互作用在HTP转换期间发生巨大变化。一般来说，睾丸组蛋白H2变体的泛素化促进组蛋白去除，睾丸组蛋白H3的甲基化调节转位蛋白(Tnp1/2)和鱼精蛋白(Prm1/2)基因的表达，而组蛋白H4的乙酰化对核小体的不稳定和重塑以及随后的Tnps和/或Prms的掺入至关重要。

液-液相分离（LLPS）是组织活细胞内容物的基本机制。通过多价相互作用，LLPS驱动各种蛋白质聚集体的组装和细胞中无膜细胞器的形成。LLPS通常由具有内在无序蛋白质/区域（IDP/IDR）的分子介导，并与其低复杂性序列和朊病毒样结构域相关。在细胞核内，相分离和相变特别令人感兴趣，因为核凝聚物必须与染色质相互作用以控制其组织和基因表达。越来越多的证据表明，无核膜细胞器通过LLPS影响染色质结构，并且LLPS在各种结构中起关键作用，例如通过影响突触后密度、突触复合体和有丝分裂纺锤体。

最近，脆性X相关(FXR)蛋白家族成员FXR1在细胞多体部分中被鉴定，这表明FXR1通过LLPS10在小鼠精子细胞中存储的mRNA的翻译激活和小鼠的雄性生育力中起关键作用。尽管许多研究已经描述了相分离的重要性，并表明细胞LLPS凝聚物中的功能失衡协调了各种生理结构的组装和病理转化，但这些功能的生物学证据，特别是生殖细胞特异性LLPS故事，就其发展而言，尚未被发现;然而，这些功能对于将遗传信息传递给下一代至关重要。该研究发现核 CCER1（卷曲螺旋富含谷氨酸蛋白 1）是一种胚系特异性调节因子，作为相分离凝聚物介导组蛋白表观遗传修饰和染色质凝聚。Ccer1基因位于小鼠10号染色体上，人类同源基因位于12号染色体上。

鉴定NOA患者独特和有害的CCER1突变（图源自Nature Communications ）

小鼠Ccer1和人类同源基因均为单外显子基因。来自蛋白质UniProt数据库的信息显示，CCER1序列富含谷氨酸，而人类序列包含两个卷曲螺旋结构域，小鼠序列包含一个卷曲螺旋结构域。目前尚缺乏Ccer1基因的功能研究。重要的是，研究还发现人类CCER1基因的突变与精子发生和男性不育有关，这是人类健康的一个主要问题。总之，研究数据表明，Ccer1是一种导致不育的基因，它通过LLPS介导生殖细胞中的核染色质凝聚。CCER1的发现不仅为阐明在精子发生过程中用鱼精蛋白调节组蛋白替代的机制和人类不育症的潜在治疗提供了希望，而且为探索核相分离蛋白如何影响染色质重塑提供了良好的体内模型。