人類正常生命誕生需要卵子與精子受精形成合子，隨後合子開始分裂發育成胚胎。臨床有部分進行試管嬰兒的患者表現為卵子受精後合子不分裂（合子分裂失敗），進而導致反覆試管嬰兒失敗及不孕。合子分裂失敗這一表型在臨床中時有遇到，但其是否是孟德爾遺傳病以及背後的遺傳因素卻一直未知。
近日，復旦大學生物醫學研究院副研究員桑慶、教授王磊聯合中信湘雅生殖與遺傳專科醫院教授林戈以及國內多家生殖中心的最新研究成果揭曉了上述問題的答案。研究發現了導致人類合子分裂失敗的第一個突變基因BTG4，並通過一系列體外、體內研究，揭示了BTG4突變導致合子分裂失敗的致病機制。該研究證實了合子分裂失敗為人類新孟德爾隱性遺傳病，為將來此類患者的基因診斷與治療奠定了理論基礎。6月4日，相關研究成果以《BTG4的純合突變導致合子分裂失敗引起女性不孕》（「Homozygous Mutations in BTG4 Cause Zygotic Cleavage Failure and Female Infertility」）為題在線發表於國際著名遺傳學雜誌《美國人類遺傳學雜誌》(The American Journal of Human Genetics)。
在本研究中，研究團隊在表型均為典型合子分裂失敗的四個家系中發現了BTG4的純合突變，其中一名患者攜帶BTG4的純合錯義突變（家系1），其餘三名患者均攜帶功能性喪失性的純合突變（無義、起始密碼子缺失或移碼，家系2-4）(圖1)。
圖1 四個合子分裂失敗家系中發現BTG4的純合突變
已有研究顯示，BTG4蛋白可以招募CNOT7調控母源mRNA降解，其在母源合子轉換過程中發揮重要功能。體外研究顯示，三個功能喪失性突變均導致正常BTG4蛋白的表達完全缺失，純合錯義突變（p.Ala56Thr）雖然不影響BTG4蛋白的正常表達以及其在患者合子中的表達與分布，但使得BTG4蛋白與CNOT7的相互作用完全喪失（圖2）。通過對患者合子進行RNA-seq分析發現，患者合子中有大量母源性mRNA的累積，進一步說明BTG4突變導致患者合子中的母源mRNA降解發生異常。另外，通過對比合子中oligo(dT)和隨機引物反轉錄產物中相關基因表達量的比值顯示，患者合子中該比值顯著高於對照組，間接說明BTG4突變影響了患者合子中母源mRNA的去腺苷化，進而導致大量母源mRNA未被正常降解，最終導致合子分裂失敗。
圖2 突變影響BTG4本身蛋白表達以及其與CNOT7的相互作用
本研究發現合子分裂失敗為人類新孟德爾疾病，並發現了致病基因BTG4及機制，為相關患者的遺傳諮詢、分子診斷及個體化幹預提供理論基礎。值得一提的是，這是王磊、桑慶團隊一周內第二次在《美國人類遺傳學雜誌》發表重要成果，5月29日該團隊報導發現人類卵子成熟障礙新致病基因TRIP13。
桑慶與林戈為本論文的共同通訊作者。中信湘雅生殖與遺傳專科醫院鄭偉博士，復旦大學生命科學學院周舟博士，廣東省第二人民醫院生殖醫學中心沙倩倩博士，廣西壯族自治區生殖醫院牛向麗醫生、上海集愛遺傳與不育診療中心孫曉溪主任以及西北婦女兒童醫院生殖中心師娟子主任為共同第一作者。該研究得到了復旦大學生物醫學研究院教授王磊、浙江大學生命科學研究院教授範衡宇的指導與幫助。
近年來，王磊、桑慶團隊聯合其他研究者已發現了人類早期生殖過程中的5種新孟德爾疾病，10個新致病基因，並明確了部分基因的致病機制。成果相繼發表於N Engl J Med (2016), Science Transl Med (2019), Am J Hum Genet (2016, 2017, 2018, 2020a,2020b)等國際高水平雜誌，為相關患者的遺傳諮詢及實現輔助生殖中的精準醫學實踐奠定了基礎。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2020.05.010