三种睾丸特异性丝氨酸蛋白酶家族成员的生理功能、在男性不育症发病中的作用及其分子机制研究

Male infertility of unknown origin accounts for 37-58% of infertility caused by male factors. Therefore, there is still a big challenge in understanding its pathogenesis and developing new diagnostic approach. Our group has previously found that respective disruption of three probable serine proteinases with unknown function but specifically expressed in mouse testis leads to male infertility or imparied fertility. Further observations show that Prss37-deficency leads to the defects in sperm-egg recognition/binding and sperm migration from uterus to oviduct. Prss54 knockout sperm fail to penetrate zona pellucida. Prss55-deficient sperm exhibit similar phenotype with Prss37 null sperm. Most importantly, we found that PRSS37 protein level was dramatically decreased in 98 semen samples from the patients with unexplained male infertility (UMI), and even undetectable in 7 out of these samples. Our data indicate that these three novel serine proteinases are indispensible for sperm fertilization in mice. The defects in the expression or function of these proteins may be causative for UMI patients. The current project will focus on characterizing these novel proteins, deciphering their biological function and molecular mechanism by utilizing the advantage of mutant mouse models, exploring their causative role in the development of UMI. We believe that our expecting results will be greatly helpful in understanding novel gene function and pathogenesis of UMI, and in developing new approaches of diagnosis, treatment for UMI patients, and novel strategy for birth control.

男性不育症迄今仍有37-58%的患者病因不明！其病因学及新诊断方法的研发仍面临艰巨挑战。前期工作中发现三种功能未知，可能属丝氨酸蛋白酶家族，在睾丸特异性表达的基因（Prss37、54、55）被剔除后，三种小鼠均表现雄性不育或生殖能力显著下降！其中，Prss37的缺失造成精卵识别/结合及精子在体迁移障碍；Prss54缺失的精子不能穿过透明带使卵受精；剔除Prss55的精子亦表现出精卵结合的障碍。同时发现在98例所谓“不明原因男性不育（UMI）”精液样本中PRSS37蛋白水平较正常显著下降甚至消失！据此我们有理由认为这三种可能的丝氨酸蛋白酶为小鼠精子使卵受精所必需，其表达低下或功能缺失可能是UMI发生的重要原因。本项目将围绕这三种蛋白质的性质、生理功能、作用机制及其在UMI发生中的作用展开系统研究。预期结果将对认识新基因功能、解析UMI病因、开发新型诊断、治疗及节育手段具有重要理论和应用价值。

男性不育症迄今仍有37-58%的患者病因不明！其病因学及新诊断方法的研发仍面临艰巨挑战。前期工作中发现Prss37、Prss54 和Prss55这三种功能未知的丝氨酸蛋白酶家族成员在睾丸特异性表达，且三种基因剔除小鼠均表现雄性不育或生殖能力显著下降！本项目计划通过对这三种蛋白的表达定位、表达调控、酶活性分析、底物产物鉴定、互作蛋白研究以及对这三种基因剔除小鼠的精细表型分析、对其在不明原因男性不育患者中的表达水平的分析，系统阐明这三个丝氨酸蛋白酶的生理生化功能，尤其是在哺乳动物精子受精过程中的作用及其分子机制，为男性不育发病机制及诊断、治疗方法研究提供新的方向，为男性节育药物研发提供新的作用靶点。我们在国际上首次报道了Prss37和Prss55在小鼠雄性生殖中具有不可或缺的重要作用。Prss37-/-和Prss55-/-雄鼠表现出雄性不育，其精子在雌性生殖道内从子宫到输卵管的迁移过程障碍，识别/结合透明带完整以及去透明带的卵细胞的能力严重受损。PRSS55在睾丸精子细胞和成熟精子中以GPI锚定膜蛋白的形式存在。ADAM3成熟体在Prss37-/-和Prss55-/-精子中缺失。基因芯片分析发现，在Prss37-/-和Prss55-/-睾丸中，大部分与细胞膜和细胞器的组织、蛋白运输与复合物组装、以及刺激应答和信号传导相关的基因存在差异表达。通过对大量临床精液样本的统计分析，我们发现来自不明原因不育患者的精子中PRSS37蛋白含量显著低于来自生育力正常的成年男性的精子，提示PRSS37可作为一个分子marker用于评价人精子的体内受精能力。Prss54-/-雄鼠生育力严重低下，其精子表现出多方面的形态畸形，穿透明带能力严重受损。Prss54剔除后顶体颗粒偏心游离在顶体囊泡中，且细胞骨架组织紊乱，导致精子形成后期不对称的顶体囊泡向后延伸及核成型异常，提示Prss54可能通过调控顶体颗粒定位和细胞骨架组织而在小鼠精子形成过程中发挥重要作用。综上所述，PRSS37和PRSS55可作为男性避孕药物开发的潜在靶点，对不明原因男性不育症病因研究及其治疗具有重要意义。PRSS54则是一个研究精子形成过程调控的关键靶基因。