睾丸特异性类光传感蛋白Pdcl2在小鼠精子发生过程中的作用及机制研究

Infertility affects about 15% couples in our country, and male factor infertility is responsible for 50% of infertile couples. Investigation into spermatogenesis defects will deepen our understanding of spermatogenesis regulation and improve clinical therapy results. By comparing the trancriptome of germ cells in mouse testis, mouse embryonic stem cells, mouse embryonic fibroblasts and other somatic cells, we found that phosducin-like protein Pdcl2 was specifically expressed in mouse testis. And from the online database, we found that Pdcl2 was also highly expressed in human testis and sperm. Pdcl2 is highly conserved in yeast, mouse and human, and it is reported that Pdcl2 can regulate meiosis and cytoskeleton rearrangement in yeast. Based on these data, we speculate that Pdcl2 may be involved in spermatogenesis regulation. We confirmed that Pdcl2 was highly expressed in mouse testis by western blot and immunofluorescence assay. Besides, we have already generated Pdcl2 knock-out founder mice by CRISPR/Cas9. We will study the role of Pdcl2 in spermatogenesis, as well as the underlying mechanism, by using this knock-out mice model. Our study will elucidate whether Pdcl2 is involved in spermatogenesis, and may provide important references for the diagnosis and therapy of clinical male infertility.

不孕不育影响我国约15%的育龄夫妇，其中由于男性因素导致的不孕不育约占50%，对男性精子发生障碍的研究将有助于提升临床治疗的水平。通过对小鼠睾丸生殖细胞、小鼠胚胎干细胞、小鼠胚胎成纤维细胞进行转录组测序，并与数据库中其他体细胞转录组数据进行比较，我们发现，类光传感蛋白Pdcl2在小鼠睾丸中特异高表达,并且Pdcl2在人睾丸和精子中也特异高表达。Pdcl2在酵母、小鼠和人中都非常保守，已有文献报道Pdcl2会调控酵母的减数分裂和细胞骨架重排，我们猜测Pdcl2可能会参与精子发生调控。申请人前期通过免疫印迹和免疫荧光技术验证了 Pdcl2特异高表达于小鼠睾丸。此外，申请人还利用CRISPR/Cas9技术制备了Pdcl2敲除的首建鼠。本项目将利用基因敲除小鼠模型，深入研究Pdcl2在精子发生中的功能及其作用机制。研究结果将阐明Pdcl2与小鼠精子发生的关系，并为临床诊断和治疗提供参考。

我国不孕不育患者人数已经超过5000万，发病率为12.5%-15%，其中由于男性精子异常导致的不孕不育约占50%。男性不育主要是由于精子发生异常导致的。精子发生是指位于睾丸生精小管生精上皮基底层的精原干细胞先分裂、分化行成精原细胞，精原细胞进一步通过分裂、分化产生成熟精子的过程，但迄今为止，精子发生的调控网络仍未阐述清楚。. 本研究以基因编辑小鼠为模型，研究了睾丸特异性高表达基因Pdcl2、Gykl1和Gk2在小鼠精子发生中的功能及其作用机制。Pdcl2敲除小鼠的精子发生异常，精子数量减少并且形态出现畸形。深入研究发现Pdcl2特异表达于减数分裂期的精母细胞中，其通过与蛋白质分子伴侣结合，调节蛋白质的折叠从而调控精子发生。Gykl1或Gk2敲除也会导致小鼠雄性不育，Gykl1和Gk2则是通过与Pld6相互作用，调节精子线粒体鞘的形成，从而调控精子发生。在临床病例中，我们发现，Pdcl2, Gk2的表达失调与畸形精子症密切相关。本研究阐明了睾丸特异性高表达基因Pdcl2、Gykl1和Gk2调控精子发生的作用机制，为将Pdcl2和Gk2作为男性不育检测的分子标记提供了科学依据。. 此外，为了提高基因编辑小鼠模型构建的效率，我们将胞嘧啶单碱基编辑器(Cytidine base editor, CBE)和腺嘌呤单碱基编辑器(Adenine base editor, ABE)应用于小鼠模型制备。为了评估ABE的特异性，我们开发了能在全基因组范围内检测ABE脱靶位点的检测方法——EndoV-seq，证明ABE系统也存在脱靶效应。在此基础上，我们进一步开发了具有更高特异性的CBE(HF2-BE2)及ABE(HF-ABE)，提高了基因编辑的特异性。本研究成果的转化将缩短动物模型的构建周期，并将降低动物模型构建的成本，促进疾病动物模型的构建及疾病分子机理的阐释。同时，还将促进基因编辑治疗的临床转化，提高基因编辑治疗的效力及安全性。