Nature：多出来的一条X染色体是如何导致男性胎儿生殖细胞发育异常的？乔杰院士团队揭开关键机制

北京大学第三医院乔杰/袁鹏/闫丽盈/魏瑗团队合作，在 Nature 期刊发表了题为How the extra X chromosome impairs the development of male fetal germ cells 的研究论文。

该研究以生殖细胞大规模丢失前的胎儿阶段为切入点，全面解析了克氏综合征患者FGC的发育特征和相关分子改变，揭示了X染色体的活性状态、转录特征以及介导FGC发育异常的分子机制，探讨了改善克氏综合征患者FGC发育异常的潜在方法，为提高克氏综合征患者生育力带来了新的希望。

该研究发现，在克氏综合征胎儿性腺中，额外的X染色体并不会改变性腺内细胞的命运，其胎儿生殖细胞（FGC）的主要异常是发育阻滞：在正常男性对照中仅有约15%的FGC处于早期阶段，克氏综合征中这一比例则高达81%，两者间FGC总数没有显著差异，说明此时生殖细胞还没有明显丢失，其异常主要表现为阻滞在早期发育阶段。

研究团队进一步揭示了导致发育阻滞的基因表达紊乱：克氏综合征患者FGC高表达多能性基因、早期FGC基因、有丝分裂基因、WNT通路基因、TGF-β通路基因，同时低表达与FGC分化相关的基因，例如减数分裂基因、piRNA代谢基因以及X连锁的癌/睾基因（CTX基因）等。

研究团队进一步探索了额外的X染色体在克氏综合征患者FGC发育阻滞中的作用。该研究发现，人类FGC，包括克氏综合征（47,XXY）、正常女性（46,XX）以及超雌综合征（47,XXX）的FGC，均不发生X染色体失活。利用自主开发的RNA/DNA/蛋白三重荧光原位检测技术（Triple in situ fluorescence detection of RNA, DNA and protein, TISF）和空间统计学算法，研究团队发现人类FGC中X染色体未失活的原因可能包括XIST无法结合到X染色体以及XACT对XIST的拮抗作用等。克氏综合征患者FGC中X染色体未失活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于正常男性，过度激活了WNT和TGF-β等通路，并且使细胞周期更加活跃，阻碍其顺利进入有丝分裂静止阶段（晚期阶段），最终引起FGC发育阻滞。

FGC发育的关键特征之一是表观遗传重编程，例如全基因组DNA甲基化的大规模擦除。团队接下来研究了克氏综合征患者FGC的基因组甲基化特征，发现克氏综合征早期FGC的基因组甲基化擦除更加彻底，包括印记基因。相反，重复元件SVA却表现出比对照更高的甲基化水平。此外，FGC分化关键基因（如CTX基因）的甲基化异常可能参与了克氏综合征患者FGC的发育阻滞。

FGC的发育受到周围体细胞的精确调控，尤其是与之直接接触的支持细胞。作者发现克氏综合征胎儿支持细胞也出现发育异常，且与细胞迁移和运动相关的基因下调，导致支持细胞-FGC间参与细胞迁移的SEMA7A-ITGB1、CDH2-CDH2、JAM2-JAM3互作减弱，最终引起晚期FGC和支持细胞向睾丸索基底部的迁移受损。而既往研究表明，无法正常迁移的FGC将因为无法分化为精原细胞而死亡。

这项研究最后探索了挽救克氏综合征患者FGC发育阻滞的可能措施。研究结果表明，在相同培养条件下，正常男性的FGC在体外能够有效分化，但克氏综合征患者的FGC无法继续分化。值得注意的是，经TGF-β抑制剂处理后，克氏综合征患者FGC的分化得到了显著改善，这为治疗克氏综合征患者生殖障碍提供了重要线索。

综上所述，该研究发现克氏综合征患者的FGC中额外X染色体未发生失活，导致X连锁基因表达上调，这些基因过度激活了WNT通路和TGF-β通路，同时使细胞周期更加活跃，阻碍了FGC的正常分化，使大多数FGC停留在早期阶段；另一方面，克氏综合征胎儿支持细胞和晚期FGC之间的互作异常，影响了晚期FGC向睾丸索基底部的迁移；克氏综合征患者FGC的发育阻滞和迁移受损，将导致后续阶段的生殖细胞（精原干细胞）数量减少，这可能是克氏综合征患者出生后生殖细胞减少的重要原因；体外研究还发现TGF-β通路抑制剂可以显著改善克氏综合征患者FGC的发育阻滞。该研究为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，为早期治疗提供了重要的理论依据。

北京大学第三医院乔杰院士、袁鹏副研究员、闫丽盈教授及魏瑗教授为该论文共同通讯作者，卢永杰博士后、秦萌博士、贺麒龙博士后、博士生花凌月和齐心童为论文共同第一作者。