研究发现男性不育症新基因

　　

生物通报道  根据5月24日发表在《PLoS Genetics.》杂志的一篇研究论文称一个为精子形成所必需的微管调节酶有可能成为今后男性避孕或生育治疗的靶点。一个国际研究小组在小鼠中发现了一种称之为KATNAL1的新酶似乎通过调控对精子细胞形成至关重要的细胞骨架动力学来控制了精子细胞的成熟。科学家们希望通过阐明KATNAL1在精子形成中的作用来揭示从前未知的男性不育症病因或为非激素性男性避孕策略提供新靶点。

“这是一项重要的研究，”人口理事会（Population Council）从事男性避孕研究的程艳（Yan Cheng，生物通音译）说。程艳指出这是首个研究报道了一种微管调控酶缺失影响精子形成的机制，开启了以阻断或敲除该酶为策略可逆性或永久性避孕的可能性。

“解开男性不育的谜题通常很难，”文章的主要作者、苏格兰女王医学研究院的Lee Smith说。为了更深入阐明导致男性不育症的可能性突变，Smith和同事们用一种诱变化合物处理了小鼠，筛查了雄性小鼠是否不育。一个唯独导致雄性不育和睾丸尺寸较小的点突变映射到了一个新基因上，Smith研究小组将其命名为KATNAL1 (KATANIN p60-related microtubule severing protein Katanin p60 subunit A-like1)，KATNAL1与一种已知调控微管动力学的酶KATANIN p60具有高度同源性。

尽管KATNAL1表达于包括脑和肝脏在内的各种组织中，只有携带突变基因形式的小鼠睾丸似乎出现了严重的异常，要小于正常的睾丸。在人类胚胎肾细胞系中过表达KATNAL1证实对细胞骨架具有与KATANIN相似的效应。KATANIN通过切断微管丝调控了微管动力学。

不育小鼠的突变定位在KATNAL1的ATP结合结构域，似乎消除了它的功能。在KATNAL1突变小鼠中，基本上没有成熟的精子细胞，研究人员发现在附睾中有过早脱落的未成熟细胞，睾丸支持细胞微管荧光成像显示突变的KATNAL1表达与微管稳定性降低相关。

细胞骨架动力学是精子细胞成熟的一个关键性的调控因子。一组特化的称为睾丸支持细胞的极性细胞从圆形的、富含胞质的未成熟状态转变为成熟状态，生长出尾部，失去过量的胞质。Smith解释说精子在发育过程中与精子支持细胞关系密切，就像一棵苹果树上的苹果一样。精子依赖于支持细胞提供营养，并将营养物质输送到细精管的管腔中。像苹果一样，当“成熟”时精子会“脱落”。将营养物质运输和传递至精子需要依赖动态微管丝。

“我们鉴别出了一个在男性不育症中重要的新信号通路，”Smith说。Smith表示希望进一步的研究将阐明其他与精子成熟中KATNAL1调控和微管动力学相关的作用因子。有可能KATNAL1或这一微管调控信号通路的不同组件会成为男性避孕药的一个非激素性靶点。

华盛顿大学内分泌学家Mara Roth说非激素性男性避孕药策略具吸引力有几个原因。许多男性对激素治疗反应良好，但是有5-10%的人在激素治疗后精子数没有下降。女性激素避孕一个月仅需靶向一个卵子，而与之相反男性避孕药策略需要应付每天生成的惊人数量的精子——每秒钟1000个以上。Roth指出甚至在输精管结扎术后，一些男性并没有随访确保他们的精子数有所下降。利用KATNAL1作为避孕药的一个可能性的靶点，其主要挑战在于需确保它们的作用是可逆的，且仅限于睾丸。

其他的研究人员认为确定KATNAL1在支持细胞以外的细胞中的作用是下一阶段的重要步骤。东卡罗莱纳大学从事精子头部形成研究的精子细胞的Ann Sperry说细胞骨架调控也是精子细胞成熟的一个重要元件。在KATNAL1突变小鼠中似乎有一些成熟的精子，但是还不确定如果它们的细胞骨架也失调，是否也会促成不育表型。

蒙特利尔大学从事精子成熟和不育症研究的R.-Marc Pelletier 说：“KATNAL1为进一步研究在这篇优美的科学文献中的主题开启了充满希望和有趣的途径。关于该酶全身及局部酶活性的其他信息可能有助于阐明其对于男性不育调控的真正影响。然而，未来唯独基于利用KATNAL1的男性不育症治疗和非激素性男性避孕药开发或许还需要更多的支持性调查。”

同时，Smith还希望KATNAL1可以帮助研究人员了解更多人类男性不育症的机制。他和他的同事们希望发现更多支持细胞中的微管动力学调控子。如果这一信号证实是男性不育的基础，则有可能利用基因治疗来逆转它。Smith的研究小组当前正在尝试将这一成果应用到KATNAL1突变的小鼠中。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

L.B. Smith et al., “KATNAL1 Regulation of Sertoli Cell Microtubule Dynamics Is Essential for Spermiogenesis and Male Fertility,” PLoS Genetics, 8(5): e1002697, 2012

KATNAL1 Regulation of Sertoli Cell Microtubule Dynamics Is Essential for Spermiogenesis and Male Fertility

Spermatogenesis is a complex process reliant upon interactions between germ cells (GC) and supporting somatic cells. Testicular Sertoli cells (SC) support GCs during maturation through physical attachment, the provision of nutrients, and protection from immunological attack. This role is facilitated by an active cytoskeleton of parallel microtubule arrays that permit transport of nutrients to GCs, as well as translocation of spermatids through the seminiferous epithelium during maturation. It is well established that chemical perturbation of SC microtubule remodelling leads to premature GC exfoliation demonstrating that microtubule remodelling is an essential component of male fertility, yet the genes responsible for this process remain unknown. Using a random ENU mutagenesis approach, we have identified a novel mouse line displaying male-specific infertility, due to a point mutation in the highly conserved ATPase domain of the novel KATANIN p60-related microtubule severing protein Katanin p60 subunit A-like1 (KATNAL1). We demonstrate that Katnal1 is expressed in testicular Sertoli cells (SC) from 15.5 days post-coitum (dpc) and that, consistent with chemical disruption models, loss of function of KATNAL1 leads to male-specific infertility through disruption of SC microtubule dynamics and premature exfoliation of spermatids from the seminiferous epithelium. The identification of KATNAL1 as an essential regulator of male fertility provides a significant novel entry point into advancing our understanding of how SC microtubule dynamics promotes male fertility. Such information will have resonance both for future treatment of male fertility and the development of non-hormonal male contraceptives.