精子DNA甲基化研究现状

王 福 于文晓 晏 斌 韩 强 刘 煜 刘胜京 综述 唐利平 郭 军* 审校

1.中国中医科学院西苑医院(北京，100091)；2.北京市第一中西医结合医院；3.首都医科大学附属北京中医院；4.中国中医科学院中药资源中心

据统计，目前全球约有10%～15%的夫妇饱受不孕不育症的困扰，其中男性不育症占一半的比重，并呈现逐年上升趋势[1]。研究证实男性不育症以特发性不育症为主，多数由精子能量代谢、信号传递通道的异常以及精子运动结构的异常等多方面因素导致[2]。随着研究的深入，从表观遗传学探讨男性不育症的发病机制已成为研究热点。DNA甲基化是目前最早发现的表观遗传，其为修饰基因的途径之一，与男性不育症密切相关，可能是由于异常的甲基化水平导致精子的产生过程发生缺陷[3]。故本文主要从DNA甲基化与精子的产生与成熟之间的关系进行综述。

1 DNA甲基化

表观遗传学是指在细胞核DNA序列稳定、不发生变化的基础上，基因的表型发生可遗传、稳定的变化的一门科学。其主要内容包括位于基因启动子CpG岛区域和印记基因CpG的DNA甲基化、组蛋白修饰，以及非编码RNA(ncRNAs)调控等[4]。在精子的生成过程中，染色质结构和基因表达与表观遗传学密切相关，任何一个因素的异常都会对其表达产生影响，其中影响最大的即为DNA甲基化，其主要特点:①可遗传性，能在细胞或世代间遗传；②可逆性的基因表达调节；③不能用DNA序列变化解释，而遗传内容主要以DNA甲基化或组蛋白翻译后修饰等形式保存。

DNA甲基化即在DNA甲基转移酶( DNMT)的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶[5-6]。经典的遗传学理论认为基因调控在精子的发生过程中起着主导作用[7]，但最近国内外的研究发现，DNA甲基化影响了染色体组合、分离和减数分裂过程中相关基因的表达, 与基因调控共同作用影响精子的产生与成熟[8]。

2 精子发生与成熟过程中DNA甲基化改变

在精子发生的过程中，精子自身DNA甲基化水平呈现出不同于体细胞的动态改变。男性的DNA甲基化起始于胎儿性腺成熟前, 终止于精子的成熟过程。而去甲基化过程则在人的一生中发生两次:第一次目的是重新建立印记，即在形成成熟配子的时期；第二次目的是减弱印记，建立新的印记，发生在胚胎发育受精卵分化为干细胞的时期。在生殖发育的过程中，人类精子经过表观遗传重建的过程，即甲基化重建过程。受精前人类精子的DNA呈现高度甲基化状态，但受精后精原核开始主动快速大范围地去甲基化，这种去甲基化不依赖DNA复制，且该低甲基化水平一直持续到胚胎桑椹期[9]。所以，精子DNA甲基化水平的异常可能是造成不明原因的早期自然流产或胎停育的重要原因[10]。

3 参与精子印记表达的甲基化调控

基因印记是指来源于不同亲代的一对等位基因发生的区别性表达，即仅翻译表达一方亲代的等位基因, 另一方亲代的等位基因不表达或少部分表达。参与该现象的基因被称为“印记基因”，DNA甲基化是介导这一过程中最常见的因素之一[11]。研究显示，男性精液质量的异常如少精子症、弱精子症、畸形精子症等都与基因印记有很大的关系[12]。

在精子的产生、成熟过程中，大多数印记基因通过不同的甲基化印记控制区(ICRs)调节自身的表达或抑制；其中印记基因发生DNA甲基化的常见位置是基因的启动子，由于两亲本的启动子不相同，等位基因的来源不一样，在ICRs的甲基化表达水平也因而不相同，使父本与母本等位基因表达不同，即产生印记[13]。因而参与基因的转录水平调控区也被叫做差异甲基化区(DMD)[14]。

3.1 MEST基因

MEST是母方的印记基因，在父方等位基因上是呈现未甲基化，因此正常精子中MEST甲基化程度较低[15]。国外学者对比了134例少精子症患者和78名正常男子精子MEST基因的甲基化水平，结果表明高MEST基因甲基化水平可导致少精子症[16]；也有学者研究证实，MEST基因的高甲基化既影响精子浓度，也影响精子的活动力及形态[17-18]。

3.2 H19/IGF2基因

H19基因是最先发现的印记基因，IGF2基因为内源性印记基因，编码产物是胰岛素样生长因子。H19为父方印记而IGF2为母方印记，二者定位相近，相互印记，拥有同一调控体系，共同调整控制人体的生长和发育。H19/IGF2基因的异常甲基化与精子浓度密切相关，有学者对比了正常男性和不育患者H19基因的甲基化状态, 结果表明, 不育患者H19甲基化水平比正常男性更低[19]。国内外其他研究也有相似的结论[20-21]。与H19/IGF2甲基化异常同少精子症密切相关的结论相比，其与弱精子症、畸形精子症的相关性存在争议[21-23]。这可能与弱精子症、畸形精子症检验手段及衡量标准不相同，与样本量、甲基化检测手段，与样本人群的种族、生活地域等都有关联。弱精子症、畸形精子症与H19甲基化异常的相关性还需更深入研究。

3.3 其它印记基因

MEG3基因是父方印记基因，其在正常男性生殖细胞基本全是甲基化状态，而在中、重度少精子症患者中则呈现为甲基化丢失，甲基化程度明显不足；提示MEG3基因印记的异常可能导致精子浓度下降，从而造成继发不育[24]。SNRPN基因为母方印记基因，其异常甲基化会导致弱精子症和畸形精子症，但可能不影响精子浓度[25]。除此之外，另有一些印记基因如GNAS、FAM50B和KCNQ1OT1的异常甲基化也会导致精子参数异常引起不育[26]。

4 结语

近年来, 随着DNA甲基化与精子质量的关系研究的逐步深入,越来越多的研究者发现DNA甲基化在男性不育症发病中起着重要的调控作用，特发性不育症可能不仅仅与一种而是同时与两种甚至多种印记基因的甲基化水平异常有关，比如精子浓度的增多可能与H19/IGF2基因的高甲基化和MEST基因的低甲基化有关，MEST基因的低甲基化能更明显地反映精子浓度的降低[27]。从当前的研究来看，相关印记基因的主要影响是体现在维持精液质量上，异常DNA甲基化水平会导致少精子症、弱精子症或畸形精子症。因此，了解DNA甲基化机制，对解决因精子DNA甲基化异常引起的男性不育症尤为重要。相信随着对精子DNA甲基化的不断研究探索，寻求通过纠正精子异常甲基化水平的药物治疗男性不育症将成为现实。