《细胞》：精子中竟存在特异性致病突变

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想要知道后代是否有患遗传性先天疾病的风险，仅仅给父母的血液或者唾液测序可能不够了。

近日，由加州大学圣地亚哥分校的Joseph G. Gleeson领衔的研究团队在顶级期刊《细胞》上发表重要研究成果。

他们发现精子里面竟然有很多血液中不存在的独特致病嵌合突变，具体来说，大约每15名成年男性中就有一名携带影响后代健康的嵌合致病突变，这些突变平均影响5%的精子细胞，而且这些突变不会随着年龄增长而改变[1]。

他们的研究对于临床上新生突变检测，以及预防后代先天性遗传疾病有着至关重要的意义。

论文首页截图

我们都知道，细胞在增殖过程中会发生基因突变，导致同一个体的不同细胞具有不同的基因型，这种现象被称为遗传嵌合（mosaicism）。

不难看出，嵌合现象在体细胞和生殖细胞中均可发生。体细胞基因突变导致的嵌合现象大多对人体无害，极少数与癌症的发生有关。而且体细胞基因突变不会遗传。

对于生殖细胞而言，卵细胞是个例外，在胚胎发生后卵细胞就不会再增殖了；但精子细胞的增殖能力令人难以置信，在青春期后的大部分时间里，正常的男性每秒都能产生大约1000个新生精子。因此，精子极易因增殖过程中的基因突变出现嵌合现象。精子的这种特性可能会导致后代的先天性疾病。

之前有研究发现，精子嵌合突变是后代新生突变（DNM）风险的重要来源。新生儿自闭症的病例中，有10-30%是由新生突变引发的[2]。成年男性每增加16岁，新生儿的DNM数量就会增加一倍，并且80%后代的DNM是父本单倍型[3, 4]。此外，在SCN1A或PCDH19突变导致的某些疾病（例如早期婴儿癫痫）中，精子嵌合突变现象多达20%[5]。

然而，这些突变可能只反映了精子嵌合现象的一小部分，因为大部分遗传检测仅限于父母的外周血液样本，而不是直接研究精子本身。有研究估算，基于外周血的后代突变来源检测具有局限性，只能预测3%-8%的DNM单基因遗传风险[6]。

在以往的报道中，体细胞的嵌合现象已经有很多研究。然而，生殖细胞的嵌合突变的特征和类型犹未可知。因此，通过对精液样本的直接测序，了解遗传性突变的来源就显得尤为重要。

为了探究这一科学问题，Joseph G. Gleeson和他的同事们招募了不同年龄的男性，系统地剖析了精子嵌合突变的数量和分布特征。

论文图文摘要

Gleeson团队首先收集了12名年轻男性（18-22周岁）的精液和外周血样本，并进行了300x高深度的全基因组测序（WGS）分析，选取等位基因分数（AF）大于1%的突变频率作为纳入标准。

结果发现受试者分别具有9-38个精子特异嵌合突变，23-54个血液特异嵌合突变和1-16个精液血液共有嵌合突变。换言之，每份精液样本中平均有33.3±12.1个嵌合突变，平均AF约为4.8%。

对12名年轻男性的血液和精液样本进行测序分析

更重要的是，三分之二的精子嵌合突变在外周血样本中检测不到，80%的血液嵌合突变也不存在于精液样本中。此外，精液血液共有嵌合突变的AF明显高于精子特异嵌合突变和血液特异嵌合突变，提示精子嵌合突变从起源上讲发生在生殖腺分化之前。

精液和血液样本中嵌合突变的等位分数分析

众所周知，体细胞具有22对常染色体和1对性染色体。那么嵌合突变是否具有染色体的偏好性呢？

研究人员通过对嵌合突变位点进行定位分析，发现这些突变在基因组中是均匀分布的，每条染色体都有可能出现。

嵌合突变的染色体定位分析

为了探究不同批次间精子嵌合突变的稳定性，研究人员还在一年内对9名年轻男性进行了3次（0，6月和12月）精液重复取样。

经过全基因组测序和靶向扩增测序（TAS）分析后发现，精子嵌合突变的数量和类型几乎一致。也就是说，至少在一年以内，精子的嵌合突变是不会改变的。

连续时间点的精液采样中嵌合突变类型几乎一致

研究人员接下来分析了5名成年男性（>48周岁）的血液和精液样本，发现受试者分别具有15-34个精子特异嵌合突变，63-454个血液特异嵌合突变和8-15个精液血液共有嵌合突变。

通过与年轻男性进行对比分析，Gleeson团队发现：随着年龄增加，血液特异性的嵌合突变类型和数目会累积增多，而精子特异的嵌合突变则保持不变。

这些结果说明，嵌合突变具有组织特异性，体细胞的嵌合突变会随着年龄的增加而不断累积，而精子中的嵌合突变可能起源于胚胎发生时期，受干细胞微环境的影响，所以在年轻人和老年人中几乎没有差异。

嵌合突变具有组织特异性，精子特异的嵌合突变不依赖年龄而增加

最后，为了进一步探究精子嵌合变异导致后代先天性疾病的可能性。Gleeson团队又将实验室去年已发表的8名男性的精液测序数据和本研究的数据进行了聚合分析，结果发现，在总共25名受试者中，平均精子嵌合突变的数量是30.9个。而在这些突变中，外显子突变有1.6个，临床高风险的缺失突变（CADD>25）有0.3个。

在掌握了一定数量的临床数据后，研究人员构建了机器学习算法（MSMF）对精子嵌合突变的致病比例进行预测，结果发现每100名男性中的精子嵌合突变中有7.2个是高风险致病基因突变。

也就是说，每15名成年男性中就有一名携带影响子代健康的嵌合致病突变，这些突变平均影响5%的精子细胞，可能是自闭症等先天性疾病的遗传来源。

每15名男性中就有1人携带致病突变

总的来说，本研究通过全基因组测序发现了外周血和精液样本的嵌合突变差异，揭示了以外周血和唾液样本作为先天性遗传疾病预测的局限性。

在精子中特异的嵌合突变可能导致先天性心脏病，自闭症等儿科疾病，对人类健康造成了巨大负担。尤其是对于没有家族病史的家庭而言，检测生殖细胞的嵌合突变信息有助于评估新生儿罹患先天性疾病的风险。

参考文献：

1.Yang, X., et al., Developmental and temporal characteristics of clonal sperm mosaicism. Cell, 2021.DOI: 10.1016/j.cell.2021.07.024.

2.Breuss, M.W., et al., Autism risk in offspring can be assessed through quantification of male sperm mosaicism. Nat Med, 2020. 26(1):143-150.DOI: 10.1038/s41591-019-0711-0.

3.Kong, A., et al., Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk. Nature, 2012. 488(7412):471-5.DOI: 10.1038/nature11396.

4.Jónsson, H., et al., Parental influence on human germline de novo mutations in 1,548 trios from Iceland. Nature, 2017. 549(7673):519-522.DOI: 10.1038/nature24018.

5.Brandler, W.M., et al., Paternally inherited cis-regulatory structural variants are associated with autism. Science, 2018. 360(6386):327-331.DOI: 10.1126/science.aan2261.

6.Kircher, M., et al., A general framework for estimating the relative pathogenicity of human genetic variants. Nat Genet, 2014. 46(3):310-5.DOI: 10.1038/ng.2892.

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原标题：《《细胞》：精子中竟存在特异性致病突变！科学家发现，每15名成年男性中就有一名携带影响后代健康的嵌合致病突变丨科学大发现》

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