多了性染色體、毀了生育能力，怎么辦？| 前沿
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撰文 | 陳蘇仁（中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員）
責(zé)編 | 陳曉雪
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正確的染色體數(shù)目對(duì)于生命至關(guān)重要。目前已確認(rèn)的人類染色體病綜合征有100余種，不正常的染色體數(shù)目、智力低下、生長(zhǎng)發(fā)育遲滯、高死亡率、極大的生育困難與風(fēng)險(xiǎn)是染色體病的共同特征。性染色體三體綜合癥（Sex chromosome trisomy，SCT）便是其中一類，主要包括Klinefelter綜合征（XXY）和XYY染色體綜合征（XYY），多了一條性染色體（X染色體或Y染色體），且常伴隨有男性不育問題。
性染色體三體綜合癥威脅著世界范圍內(nèi)0.1%的人群，雖然發(fā)病比例不高，但是如何使性染色體三體綜合癥患者生育正常的孩子一直是困擾患者家族和生殖醫(yī)學(xué)相關(guān)科研工作者的難題。
最近，英國(guó)弗朗西斯·克里克研究所的James M. A. Turner和日本京都大學(xué)的Mitinori Saitou聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在性染色體三體小鼠的成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞（iPSC）過程中，額外的那條性染色體發(fā)生了自主丟失——這種現(xiàn)象被他們命名為“三體偏好性染色體丟失”(Trisomy-biased Chromosome Loss, TCL)——由此產(chǎn)生的整倍體（恢復(fù)正常的染色體數(shù)目）iPSC可以通過現(xiàn)有的技術(shù)誘導(dǎo)分化產(chǎn)生精子和后代。該研究將有助于攻克染色體三體綜合征患者的不育難題。
2017年8月18日凌晨，《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表了這一結(jié)果。
染色體是組成細(xì)胞核的基本物質(zhì)，是基因的載體。人的體細(xì)胞染色體數(shù)目為23對(duì)，其中22對(duì)為男女所共有，稱為常染色體；另外一對(duì)為決定性別的染色體，男女不同，稱為性染色體，男性為XY，女性為XX。在生殖細(xì)胞中，男性生殖細(xì)胞染色體的組成：22條常染色體+X或Y。女性生殖細(xì)胞染色體的組成：22條常染色體+X。
染色體三體綜合征是一類重大遺傳疾病，表現(xiàn)為染色體數(shù)目錯(cuò)誤，常見有21-三體綜合征（又稱先天愚型或唐氏綜合征，多一條21號(hào)染色體）、13-三體綜合征、18-三體綜合征、Klinefelter綜合征、XYY染色體綜合征等。產(chǎn)前診斷是防止染色體三體綜合征患兒出生的有效措施，診斷技術(shù)主要包括染色體核型分析和染色體熒光原位雜交技術(shù)（FISH）技術(shù)等。
?圖1，正常染色體（46條）與21-三體綜合征染色體（47條）（圖引自Lebo et al., J Transl Med, 2015）
為了研究性染色體三體綜合征，研究人員構(gòu)建了XXY和XYY小鼠模型，該小鼠攜帶雙熒光報(bào)告基因Blimp1-mVenus與Stella-ECFP，可以監(jiān)測(cè)多能干細(xì)胞（PSCs）——一類具有自我更新、自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，向原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞（PGCLCs）的分化過程。原始生殖細(xì)胞(PGCs) 是兩性生殖細(xì)胞的“始祖”，特化于胚胎階段，之后分化產(chǎn)生雄性和雌性生殖細(xì)胞的前體細(xì)胞。
精子發(fā)生經(jīng)歷從原始生殖細(xì)胞，到精原細(xì)胞，到精母細(xì)胞，再到圓形精子和延長(zhǎng)型精子階段的分化等，最終產(chǎn)生單倍體功能性生殖細(xì)胞。而XXY和XYY小鼠與人類染色體三體綜合征患者相似，表現(xiàn)為不育，精子發(fā)生分別阻滯在前精原細(xì)胞階段和粗線期精母細(xì)胞階段。
?圖2， 性染色體三體綜合征模型小鼠（XXY、XYY）與正常小鼠（XY）睪丸組織切片染色（Hirota et al., Science, 2017）
研究人員將性染色體三體綜合征模型小鼠（XXY、XYY）、正常小鼠（XY）的成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)重編程為誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞（iPSCs）——誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞最初是日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒載體將四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入到小鼠成纖維細(xì)胞中，使其重編程而得到的類似胚胎干細(xì)胞(Embryonic stem cells, ES)的一種干細(xì)胞類型。研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)很高比例的性染色體三體（XXY、XYY）細(xì)胞來源的iPSCs發(fā)生了性染色體丟失，形成了XY、XX和XO型iPSCs。性染色體丟失有較大可能發(fā)生在iPSC重編程階段，論文作者將其命名為“三體偏好性染色體丟失”。
?圖3，Saitou實(shí)驗(yàn)室早于2011年建立的從體細(xì)胞到可移植的生殖干細(xì)胞的技術(shù)路線（Hayashi et al., Cell, 2011）
?圖4，“三體偏好性染色體丟失”現(xiàn)象，DNA熒光原位雜交技術(shù)（FISH）用以顯示性染色體X或Y（Hirota et al., Science, 2017）
三體偏好性染色體丟失產(chǎn)生的整倍體（染色體數(shù)目正常）XY型iPSCs通過已經(jīng)建立的體系（Hayashi et al., Cell, 2011），經(jīng)歷外胚層樣狀態(tài)（EpiLCs）最終形成Blimp1、Stella雙熒光的原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞。原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞經(jīng)分選和W/Wv受體小鼠（曲細(xì)精管中缺乏生殖細(xì)胞）移植實(shí)驗(yàn)證明，XXY和XYY來源的iPSCs可以啟動(dòng)精子發(fā)生。進(jìn)一步借助胞漿內(nèi)單精注射技術(shù)，XXY和XYY來源iPSCs誘導(dǎo)產(chǎn)生的配子可以使卵子受精，移植后產(chǎn)生染色體倍型正常的、健康的、具有繁殖能力的后代。
?圖5，經(jīng)“三體偏好性染色體丟失”產(chǎn)生的iPSCs，可借助輔助生殖技術(shù)繁育健康可育的后代（Hirota et al., Science, 2017）
推廣到常染色體：研究人員利用21-三體綜合征小鼠模型（Tc1小鼠，于2005年建立），重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)流程，發(fā)現(xiàn)“三體偏好性染色體丟失”現(xiàn)象不僅局限于性染色體；21-三體中，額外的21號(hào)染色體在iPSCs重編程過程中也可發(fā)生丟失。
推廣到人類染色體三體細(xì)胞：研究人員利用Klinefelter綜合征患者（47，XXY）和21-三體綜合征患者（47，XY，+21）的成纖維細(xì)胞，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，證明“三體偏好性染色體丟失”現(xiàn)象同樣發(fā)生于人類染色體三體細(xì)胞的重編程過程中。
“三體偏好性染色體丟失”的發(fā)現(xiàn)是對(duì)iPSCs治療染色體異常領(lǐng)域的有益補(bǔ)充。雖然“三體偏好性染色體丟失”產(chǎn)生的機(jī)制尚不清楚，但是研究人員揭示了一個(gè)有價(jià)值的現(xiàn)象，提供了解決問題的可能性。
參考文獻(xiàn)：
Takayuki Hirota, Hiroshi Ohta, Benjamin E.Powell, Shantha K. Mahadevaiah, Obah A. Ojarikre, Mitinori Saitou*, James M. A.Turner*. (2017) Fertile offspring from sterile sex chromosome trisomic mice.Science. 17 Aug 2017.
制版編輯：斯嘉麗
