综述：DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑复合物在精子发生中的表观遗传调控及其与男性不育的 dysfunction

　　这篇综述系统阐述了DNA甲基化、组蛋白修饰（如H3K9me2、H3K27me3等）和染色质重塑复合物（CRCs）在精子发生过程中的动态调控网络及其与男性不育的关联。文章重点揭示了表观遗传机制如何精确调控精原干细胞（SSCs）的命运决定、减数分裂和染色质重塑，并指出其 dysfunction 可能导致非梗阻性无精症（NOA）等疾病，为男性不育的病因研究和治疗靶点开发提供了新视角。

　　

表观遗传调控在精子发生中的作用及与男性不育的关联

引言

全球夫妇不孕症发生率已达12%-18%，其中男性因素占40%-50%。精子发生是一个复杂的过程，涉及精原干细胞（SSCs）的自我更新和分化，最终形成成熟精子。这一过程的精确调控依赖于遗传和表观遗传因素的协同作用。近年来，表观遗传调控在精子发生中的作用日益受到关注，其 dysfunction 与男性不育密切相关。

DNA甲基化在精子发生中的调控及与男性不育的关联

DNA甲基化是表观遗传调控的重要方式，由DNA甲基转移酶（DNMTs）催化完成。在哺乳动物中，DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化的分布由DNMTs和去甲基化酶（如TET家族）共同调控。

在精子发生过程中，DNA甲基化呈现动态变化。小鼠原始生殖细胞（mPGCs）在迁移到生殖嵴期间（E8.5至E13.5）经历全基因组去甲基化，5mC水平降至约16.3%。随后，从E13.5到E16.5，de novo DNA甲基化逐渐建立，直至出生。人类原始生殖细胞（hPGCs）在性分化完成时（10-11周）DNA甲基化水平最低。

DNA甲基化在精子发生中的功能十分重要。在SSCs向分化型精原细胞转变过程中，基因组DNA甲基化水平升高，而前细线期精母细胞则发生DNA去甲基化。在细线期和偶线期，DNA甲基化水平逐渐升高，在粗线期精母细胞中达到高峰。

DNA甲基化 dysfunction 与男性不育密切相关。研究表明，非梗阻性无精症（NOA）患者睾丸中DNMT1和DNMT3A表达显著降低，导致全局低甲基化。印迹基因H19 DMR区域的低甲基化与特发性少精症风险高度相关。此外，逆转录转座子的异常甲基化也会影响基因组稳定性，导致精子发生障碍。

动物模型研究进一步证实了DNA甲基化的重要性。Dnmt1基因敲除会导致SSCs凋亡，Dnmt3a敲除则引起生殖细胞耗竭，Dnmt3l突变小鼠完全不育。这些结果表明DNA甲基化对维持正常精子发生至关重要。

组蛋白修饰在精子发生中的调控及与男性不育的关联

组蛋白修饰是另一种重要的表观遗传调控方式，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等多种类型。这些修饰通过改变染色质结构或招募特定蛋白质复合物来调控基因转录。

在精子发生过程中，组蛋白修饰呈现高度动态的变化。在E8.5的mPGCs中，H3K9me2减少，而H3K4me2/3和H3K27me3增加，建立了有利于多能性维持的染色质状态。在生殖嵴 colonization期间（E11.5），异染色质相关的组蛋白修饰（如H3K9me3、H3K27me3和H3K9ac）丢失，促进了全基因组DNA去甲基化和表观遗传重编程。

在SSCs中，H3K9ac、H3K18ac和H3K23ac水平较高，而H3K4me、H3K4me2和H3K4me3水平在向B型精原细胞分化过程中增加。相反，H3K9me3在SSC分化过程中显著降低。

在减数分裂和精子形成过程中，组蛋白修饰发挥关键作用。H3K4me、H3K4me2和H3K4me3水平在细线期精母细胞中显著增强，在粗线期逐渐减少。H3K27me3和H3K23ac在细线期精母细胞中水平较低，并持续存在于偶线期和粗线期。H4K5ac、H4K8ac和H4K12ac在A型和B型精原细胞中呈中等强度，在细线期精母细胞中增加，在偶线期、粗线期和双线期减少，在晚期精子细胞中高度升高。

组蛋白修饰 dysfunction 会导致男性不育。PRMT5缺陷会增加H3K9me2和H3K27me2水平，改变PLZF的染色质状态，导致SSC发育缺陷和精子发生障碍。Suv39h无效小鼠表现出精子发生失败和非同源染色体关联。组蛋白去甲基酶JMJD1A/JMJD1B的缺失通过H3K9me2去甲基化减少雄性生殖细胞数量。JMJD3突变则通过形成TET1-JMJD3复合物降低Pramel3启动子的H3K27me3水平，促进SSC自我更新。

在减数分裂过程中，PRDM9指导序列特异性的H3K4me3沉积，招募ZCWPW1修复DNA双链断裂（DSBs）。Zcwpw1-/-小鼠无法在这些位点解决断裂，导致减数分裂停滞。着丝粒H3K9me2/3沉积由Suv39h1/2维持基因组完整性，它们的双敲除诱导不稳定性 and 精子发生停滞。

在精子形成过程中，组蛋白修饰也至关重要。H3K36甲基转移酶SETD2是通过介导Acrosin结合蛋白1（Acrbp1）和鱼精蛋白的H3K36me3来实现顶体生物发生所必需的。组蛋白去甲基酶JHDM2A（也称为JMJD1A）去甲基化Tnp1和Prm1启动子的H3K9me2，使染色质去压缩。JMJD1A dysfunction 会破坏精子细胞伸长，导致生殖细胞广泛凋亡和男性不育。

染色质重塑复合物在精子发生中的调控及与男性不育的关联

染色质重塑复合物（CRCs）是ATP依赖的染色质重塑装置，通过促进核小体滑动、弹出核小体或促进组蛋白重组来改变染色质组成和结构。CRCs分为四个家族：SWI/SNF、CHD、ISWI和INO80。

在精子发生过程中，CRCs呈现阶段特异性表达模式。SWI/SNF家族的催化ATP酶BRG1（SMARCA4）和BRM（SMARCA2）的表达模式与雄性生殖细胞成熟密切相关。BRG1存在于SSCs（PLZF+精原细胞）、精母细胞和精子细胞中，在粗线期精母细胞中表达最高，以支持同源重组和减数分裂特异性基因的转录激活。当精母细胞进一步分化为圆形精子细胞时，BRG1表达减少，在伸长精子细胞中检测不到。

ISWI家族的SNF2H（SMARCA5）和SNF2L（SMARCA1）在精子发生过程中呈现互补的表达模式。SNF2H在增殖的精原细胞和支持细胞中富集，对促进SSCs的自我更新和有丝分裂进展至关重要。相反，SNF2L仅在精子细胞中表达，表明其在精子形成过程中控制染色质压缩方面具有特殊作用。

CHD家族成员也呈现阶段特异性表达和定位模式。CHD4和CHD5在睾丸中的表达水平高于其他组织。CHD4在未分化的精原细胞（PLZF+）中显著表达，通过H3K27me3沉积和组蛋白去乙酰化抑制分化基因，维持SSCs。随着雄性生殖细胞进入减数分裂，CHD4水平下降，以利于同源配对和姐妹染色单体凝聚，而在圆形精子细胞中检测不到。CHD5在减数分裂和有丝分裂的雄性生殖细胞中不存在，但在精子形成过程中高表达，在圆形精子细胞（第7-8期）中达到峰值，以协调组蛋白-鱼精蛋白交换。

INO80在小鼠睾丸的精母细胞中高表达，但在SSCs或精子细胞中检测不到，表明其参与精母细胞的减数分裂调控。INO80对于修复减数分裂DNA双链断裂（DSBs）不可或缺。INO80通过其Arp5/Arp8亚基与yH2AX标记的DSBs结合，促进核小体弹出，从而实现切除和RAD51介导的同源重组。生殖细胞特异性Ino80敲除小鼠表现为持续的DSBs、联会失败和精母细胞凋亡，这直接将其活性与减数分裂保真性联系起来。

组蛋白-鱼精蛋白替换是精子发生中的一个关键染色质重塑事件，确保精子功能所需的极端核压缩。这个过程涉及组蛋白被睾丸特异性组蛋白变体的逐步替换，随后是过渡蛋白（TNPs）的加入，最终被鱼精蛋白替换。这个过程中的 disruption 可能导致男性不育，表现为无精症、少精症和畸形精子症。

睾丸特异性组蛋白变体（如H1.6、H1.7、H1.9、H3.5和H2BW1）在初始 loosening 核小体染色质中发挥重要作用，便于过渡蛋白与DNA结合。这些变体功能的丧失可能导致组蛋白 displacement 不完全和男性不育。

TNPs作为组蛋白-鱼精蛋白交换过程中的分子桥梁。这些蛋白质暂时与DNA结合，缓解扭转应力并促进鱼精蛋白的招募。有趣的是，小鼠中Tnp1或Tnp2的单独敲除仅导致轻微的生育缺陷，而两个基因的联合缺失会导致精子细胞在第12期停滞，保留组蛋白和 fragmented DNA。

与TNPs类似，鱼精蛋白（PRM1和PRM2）对于精子细胞中最终的染色质压缩至关重要，使染色质 transcriptionally 惰性。Prm1或Prm2的突变会破坏正常的精子染色质形成，损害精子功能。

CRCs dysfunction 与男性不育密切相关。BRG1缺陷小鼠的精母细胞在前期I停滞，具有未解决的yH2AX foci和联会失败，导致完全不育。CHD4对于维持SSCs至关重要，其敲除会引发过早减数分裂进入和SSCs耗竭，最终导致唯支持细胞综合征（SCOS）。ISWI重塑器SNF2H/BAZ1A确保减数分裂过程中精确的核小体间距，防止非同源区域之间的 ectopic 重组。BAZ1A缺陷的精母细胞表现出异常的染色质环和交叉错误，导致这些细胞的非整倍性。

结论与展望

表观遗传修饰通过精确调控基因表达，确保正常精子发生和正确遗传。近年来，在揭示DNA甲基化、组蛋白修饰和CRCs在控制正常精子发生中的功能和机制方面取得了巨大进展：（1）睾丸全基因组DNA甲基化的鉴定；（2）DNA甲基化、组蛋白修饰和CRCs的不同表达模式、功能和机制；（3）表观遗传 dysfunction 与男性不育的关联；（4）DNA甲基化、组蛋白修饰和CRCs之间的表观遗传调控网络。

然而，在探索精子发生中的表观遗传调控时，仍需要注意某些问题。首先，睾丸固有的细胞异质性是一个主要挑战，其中各种雄性生殖细胞（SSCs、精母细胞、精子细胞）处于明显不同的发育阶段，与体细胞共存。在 bulk-tissue 分析中，这种细胞复杂性导致各种效应，其中DNA甲基化、组蛋白修饰或染色质重塑 profiles 可能反映平均信号，掩盖了细胞类型特异性模式。

其次，阐明组蛋白修饰、DNA甲基化和CRCs之间的动态串扰是一个关键前沿——这些多层调控网络在雄性生殖细胞中 orchestrate 阶段特异性基因表达。追踪技术（如荧光或探针）可用于识别精子发生过程中的新表观遗传因子。空间技术（如Stereo-seq、DBiT-seq）的最新突破首次在发育中的果蝇幼虫睾丸中绘制了时空转录组变化。这些方法的整合能够全面描绘精子发生过程中细胞特异性的组蛋白修饰和DNA甲基化 dynamics，允许进行位点特异性的组蛋白修饰或DNA甲基化模式分析。

最后，关于动物精子发生中表观遗传调控的结论能否转化为灵长类动物或人类仍有待证实。睾丸类器官可以作为体内研究表观遗传因子功能和机制的优秀模型。大规模表观基因组-wide 关联研究（EWAS）可用于识别特发性不孕症的表观遗传特征。进一步的研究可能集中在上述问题上，以 fully 建立人类精子发生的表观遗传调控和网络，这可能为男性不育的治疗提供新的发现和靶点。