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圖為人類睪丸組織學圖譜。A為精子發生正常的曲精小管；B為精母細胞發育停滯的曲精小管。
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圖為人類精母細胞。A為同源染色體配對聯會正常的精母細胞；B為同源染色體配對聯會異常的精母細胞。
史慶華
●中國科學技術大學生命科學學院教授
●項目首席科學家
據2009年中國人口協會公布的《中國不孕不育現狀調研報告》，我國育齡人口中不孕不育發生率已從10年前的3%~5%上升到2009年的10%~15%，其中完全由女方因素導致的約佔50%，完全由男方因素導致的約佔30%，由男女雙方因素共同導致的約為20%。男性不育主要源於精子發生出現異常而導致的無精子症或少、弱、畸形精子症。
精子發生是系統工程
人類精子發生起始於胚胎發育早期，由如下一系列生殖細胞發育過程組成：
1.原始生殖細胞的特化、遷移、增殖及分化形成性原細胞：在人類胚胎發育早期，近端上胚層體細胞在周邊細胞特定的信號誘導下特化形成原始生殖細胞，並向性腺遷移。在遷移的過程中及到達性腺後，原始生殖細胞進行有絲分裂以增加其數目，之後，停止分裂並分化形成性原細胞。
2. 青春期前睪丸中性原細胞的活化、精原幹細胞的形成和增殖：在青春期前，位於睪丸精小管中的性原細胞恢復分裂能力，通過分裂和分化形成精原幹細胞。精原幹細胞向精小管基底部遷移並最終附著在精小管基底膜上。
3. 成年睪丸中精原幹細胞增殖並分化形成精原細胞、精原細胞啟動減數分裂形成精母細胞、精母細胞完成減數分裂形成精細胞、精細胞分化生成精子：一般認為，精原幹細胞進行不對稱分裂，形成兩個子細胞，其中一個仍然維持幹細胞的活性，另一個則分化形成精原細胞；精原細胞通過有絲分裂增加其數目，並在此過程中，逐漸分化獲得啟動減數分裂的能力；精原細胞一旦啟動減數分裂，即被稱為精母細胞。減數分裂包括一系列複雜而又受到精確調控的細胞活動，如分裂前期同源染色體的識別、配對、聯會與交換，分裂後期同源染色體和姐妹染色單體的分離。只有這些細胞活動準確、依序進行，才能形成正常的精細胞。之後，精細胞經歷染色體重新包裝、頂體發生和細胞質丟失而最終形成帶有尾巴的精子。
從大概14歲開始，人類的睪丸就開始並一直不停地產生精子，40歲後，生精能力逐漸減弱。精子發生過程對溫度較為敏感，正常情況下，睪丸中的溫度比體溫低1.5℃～2.5℃，如過高，則會干擾精子的發生。
精子發生是一個連續的漫長過程，從精原細胞發育到精子約需74天，其中任何一步出現異常，都可能導致精子不能生成（無精子症），或生成的精子數目偏少（少精子症）、質量低下（如畸形精子症、弱精子症等）。
精子發生異常的遺傳因素——染色體異常
研究表明，精子發生障礙與染色體異常有關， 如精子密度大於1千萬/毫升的患者，其染色體異常的發生率約為0.4%，精子密度介於0.5千萬~1千萬/毫升的患者，染色體異常的發生率為4%，精子密度少於5百萬/毫升的患者，染色體異常的發生率為8%，無精子症患者中，染色體異常的發生率高達15%。與精子發生障礙相關的染色體異常主要包括：
第一，性染色體數目異常：常見的性染色體數目異常包括47，XXY和47，XYY。研究表明，所有的47,XXY患者都不育，其中74%的患者表現為無精子症，30%~69%的患者睪丸組織中可見到少量精子。有趣的是，在這些患者有精子發生的精小管中，其生殖細胞的性染色體組成正常，而支持細胞則顯示為XXY，提示生殖細胞X染色體數目異常是精子發生障礙的致病原因。進一步的研究表明，X染色體增多會導致睪丸發育停滯，或精原幹細胞退化。
與47，XXY患者不同的是，大多數47，XYY患者可育。我們對這類患者的研究表明，其生殖細胞中Y染色體數目正常，提示Y染色體在減數分裂前被丟失。更為有趣的是，我們最近發現一例47，XYY患者，其精液和睪丸中都沒有精子；對其精母細胞的染色體組成進行研究，發現其中存在兩條Y染色體，而且兩條Y染色體像常染色體一樣配對、聯會甚至重組，從而幹擾了其與X染色體的聯會和重組，最終導致精子發生障礙。
第二，染色體結構異常：在不育患者中，最常見的染色體結構異常為相互易位。在減數分裂前期，易位染色體往往不能完全配對、聯會，以致其DNA斷裂不能修復，而未聯會的染色體區段又常常與性染色體相連。進一步的研究提示，染色體易位可能通過多種機制幹擾精子發生，如易位斷裂破壞了精子發生所必需的基因；或易位染色體未聯會區段上精細胞發育必需基因的失活；或易位染色體上未修復的DNA斷裂激活了DNA損傷檢驗點，導致生精細胞被清除；也可能，易位染色體未聯會的區段與性染色體的結合破壞了性泡的功能，導致減數分裂異常，以致精子不能生成。不同的易位攜帶者，其精子發生異常的機制不同，因此，只有對每位患者進行減數分裂分析，才可闡明其不育的發病機制。
第三，Y染色體微缺失：早在1976年，Tiepolo和Zuffardi就認識到Y染色體長臂上的微小缺失與無精子症發生有關。之後大量的研究表明，不同的Y染色體微缺失對精子發生的影響也不同。如AZFa缺失導致睪丸中生殖細胞完全丟失，AZFb缺失的患者表現為精子發生停滯，而AZFc缺失的臨床表現較為複雜，從無精子症到嚴重少精子症都可見到。
顯然，男性不育與染色體異常密切相關。因此，想要了解不育症的發病原因，對患者進行染色體核型分析和Y染色體微缺失檢測等是非常必要的。
精子發生障礙的遺傳因素——基因突變
科學家們估計由遺傳因素導致的精子發生障礙約佔75%，除去其中少數是由染色體異常引起的，還有很多患者其發病原因尚不清楚。在以小鼠為模型開展的研究中，有400多個基因被證明是精子發生所必需的，其基因失活會導致小鼠精子不能發生或發生減少。這提示，基因變異確實能夠導致精子發生障礙。而對人類男性不育患者，科學家做了大量努力，試圖在基因水平發現導致精子發生障礙的變異，但迄今發現的致病突變仍然屈指可數。
究其原因，其一，絕大多數敲除後導致小鼠精子發生障礙的基因，在男性不育患者中還未被研究；其二，大約2300個基因參與了人類精子發生，但對於某一特定基因來說，其突變率可能很低，這就要求研究的病例數要足夠多，但迄今絕大多數尋找男性不育致病突變的研究，其檢測的病例數都未超過100例；其三，不同類型的不育可能由不同的突變導致，如導致精原細胞發育停滯的突變不一定會導致減數分裂異常，而導致精母細胞減數分裂停滯的突變顯然並不影響精原細胞的發育，這就要求在開展尋找精子發生障礙致病突變的研究時，首先要對患者進行分類，但令人遺憾的是，迄今絕大多數這類研究，同時使用了包括無精子症、少精子症等多種類型的患者；其四，某些精子發生障礙可能是多種基因突變的累加效應，而現有的研究每次僅檢測一種或很少幾種基因，從而導致對致病突變的漏檢；最後，眾所周知，家系研究是發現和確認致病突變的最佳方案，這對於不育症致病基因的發現也不例外，但遺憾的是很多患者在家人面前對不育病情羞於啟齒或盡力隱瞞，以致難以獲得其家系成員的DNA樣本，無法開展有效的遺傳分析，難以找到致病突變。
在認識到這些問題後，部分研究者開始與臨床大夫合作，給不育患者講解開展遺傳分析的必要性，以爭取患者及其家人的配合，獲得相關樣本，開展遺傳學和睪丸組織病理學分析，以便儘早找到致病原因，為進一步的對症治療奠定基礎。
不育患者有望生出自己的孩子
人類輔助生殖技術為千百萬個不育家庭帶來了福祉。然而，還有不少患者，由於其睪丸不能產生精子，而不能依賴現有的人工輔助生殖技術得到自己的孩子。
隨著基因工程技術的發展，特別是最近ZFN、TALENs和CRISP/Cas9的發明，極大地提高了基因編輯的效率，使科學家們能夠快速有效地對細胞或動植物的基因進行遺傳改造，把突變的基因修正過來。例如，美國科學家利用ZNF技術修改了愛滋病患者T淋巴細胞的CCR5基因，使其獲得了抵抗愛滋病毒感染的能力，這意味著「基因編輯技術」有望用於愛滋病的防治。
再如，華人科學家利用CRISP/CAS9技術，對地中海貧血患者來源的誘導多能幹細胞的HBB基因進行了矯正，並成功地把基因矯正後的細胞誘導分化為表達正常β-血紅蛋白的造血祖細胞和紅細胞，給地中海貧血患者的徹底治癒帶來了希望。據此，我們相信，對男性不育患者進行遺傳檢查，發現導致其不育的基因突變，再利用基因編輯技術對突變基因進行修正，並誘導基因修正的細胞進行減數分裂、生成精子，就能讓不育患者生出自己的孩子。