10月30日，北京大学第三医院妇产科乔杰院士（2017中国工程院院士）/袁鹏副研究员/闫丽盈教授（国家杰青）/魏瑗教授团队合作在《自然》（Nature）发表了题为《额外的X染色体如何损害男性胎儿生殖细胞发育》（How the extra X chromosomeimpairs the development of male fetal germ cells）的研究文章。
该研究以导致男性不育最常见的性染色体疾病——克氏综合征（核型47,XXY）为代表，系统揭示了额外的X染色体导致男性胎儿生殖细胞（Fetal germ cell, FGC）发育异常的分子机制，并且发现了改善该类患者生殖障碍的潜在干预策略，为其不育症的早期治疗提供了理论依据。
北京大学第三医院乔杰教授、袁鹏副研究员、闫丽盈教授、魏瑗教授为该论文的共同通讯作者，卢永杰博士后、秦萌博士、贺麒龙博士后、花凌月博士和齐心童博士为共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科协青年人才托举工程以及北京大学第三医院临床队列建设项目资助。
生殖细胞正常发育是个体发育及种族繁衍的根本。乔杰院士团队一直致力于生殖细胞发育调控机制研究，前期工作系统解析了人类生殖细胞从胎儿到成人各阶段的发育特征，建立了不同阶段细胞的转录图谱和表观遗传图谱，揭示了生殖细胞正常发育的调控机制（相关研究发表在Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2017; Cell Research, 2017; Cell Stem Cell, 2018; Molecular Cell, 2018; Cell Research, 2021），为阐明不孕不育的病理机制奠定了基础。
该研究发现，在克氏综合征胎儿性腺中，额外的X染色体并不会改变性腺内细胞的命运，其胎儿生殖细胞 （FGC） 的主要异常是发育阻滞：在正常男性对照中仅有约15%的FGC处于早期阶段，克氏综合征中这一比例则高达81%，两者间FGC总数没有显著差异，说明此时生殖细胞还没有明显丢失，其异常主要表现为阻滞在早期发育阶段。研究团队进一步揭示了导致发育阻滞的基因表达紊乱：克氏综合征患者FGC高表达多能性基因、早期FGC基因、有丝分裂基因、WNT通路基因、TGF-β通路基因，同时低表达与FGC分化相关的基因，如减数分裂基因、piRNA代谢基因以及X连锁的癌/睾基因 （CTX基因） 等。
团队进一步探索了额外的X染色体在克氏综合征患者FGC发育阻滞中的作用。该研究发现，人类FGC，包括克氏综合征（47,XXY）、正常女性（46,XX）以及超雌综合征（47,XXX）的FGC，均不发生X染色体失活。利用自主开发的RNA/DNA/蛋白三重荧光原位检测技术（Triple in situ fluorescence detection of RNA, DNA and protein,TISF） 和空间统计学算法，作者发现人类FGC中X染色体未失活的原因可能包括XIST无法结合到X染色体以及XACT对XIST的拮抗作用等。克氏综合征患者FGC中X染色体未失活导致其X连锁基因的表达剂量显著高于正常男性，过度激活了WNT和TGF-β等通路，并且使细胞周期更加活跃，阻碍其顺利进入有丝分裂静止阶段（晚期阶段），最终引起FGC发育阻滞。
FGC发育的关键特征之一是表观遗传重编程，如全基因组DNA甲基化的大规模擦除。团队接下来研究了克氏综合征患者FGC的基因组甲基化特征，发现克氏综合征早期FGC的基因组甲基化擦除更加彻底，包括印记基因。相反，重复元件SVA却表现出比对照更高的甲基化水平。此外，FGC分化关键基因 （如CTX基因） 的甲基化异常可能参与了克氏综合征患者FGC的发育阻滞。
FGC的发育受到周围体细胞的精确调控，尤其是与之直接接触的支持细胞。作者发现克氏综合征胎儿支持细胞也出现发育异常，且与细胞迁移和运动相关的基因下调，导致支持细胞-FGC间参与细胞迁移的SEMA7A-ITGB1、CDH2-CDH2、JAM2-JAM3互作减弱，最终引起晚期FGC和支持细胞向睾丸索基底部的迁移受损。而既往研究表明，无法正常迁移的FGC将因为无法分化为精原细胞而死亡。
这项研究最后探索了挽救克氏综合征患者FGC发育阻滞的可能措施。研究结果表明，在相同培养条件下，正常男性的FGC在体外能够有效分化，但克氏综合征患者的FGC无法继续分化。值得注意的是，经TGF-β抑制剂处理后，克氏综合征患者FGC的分化得到了显著改善，这为治疗克氏综合征患者生殖障碍提供了重要线索。
综上所述，该研究发现克氏综合征患者的FGC中额外X染色体未发生失活，导致X连锁基因表达上调，这些基因过度激活了WNT通路和TGF-β通路，同时使细胞周期更加活跃，阻碍了FGC的正常分化，使大多数FGC停留在早期阶段；另一方面，克氏综合征胎儿支持细胞和晚期FGC之间的互作异常，影响了晚期FGC向睾丸索基底部的迁移；克氏综合征患者FGC的发育阻滞和迁移受损，将导致后续阶段的生殖细胞 （精原干细胞） 数量减少，这可能是克氏综合征患者出生后生殖细胞减少的重要原因；体外研究还发现TGF-β通路抑制剂可以显著改善克氏综合征患者FGC的发育阻滞。本研究为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，为早期治疗提供了重要的理论依据。
