USP26基因

泛素特异性蛋白酶26 （USP26，Ubiquitin-Specific Protease 26），属于泛素化特异加工蛋白酶家族，是一个具有组氨酸（His）和半胱氨酸（Cys）结构域的去泛素化酶（DUB，deubiquitinating enzyme），该基因的一个重要类似物是USP29。USP26基因位于人类X染色体上，基因全长约73.9kb，共有6个外显子，913个氨基酸。USP26基因在睾丸组织以及血睾屏障中特异性表达，在精子发生过程中减数分裂前的精原细胞中表达，包括原始A型、Ap型和B型精原细胞。与USP26相关的疾病主要为男性不育，包括弱畸精子症、非梗阻性无精子症（NOA）、唯支持细胞综合征（Sertoli cell-only syndrome, SCOS）和克氏综合征（Klinefelter syndrome，KS）。

图1. USP26基因在小鼠和人类X染色体上的位置（红框）^[1]

表1. USP26的基本信息

备注：标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠 

男性不育

男性不育症患者中，约15%-20%是因为无精子症，无精子症可以分为梗塞性无精子症和非梗塞性无精子症，而非梗塞性无精子症是影响60%无精子症男性的重要病因。研究表明，USP26基因与非梗塞性无精子症中的弱畸精子症、无精子症、唯支持细胞综合征和克氏综合征密切相关。克氏综合征是性染色体异常疾病，其遗传病理是生殖细胞减数分裂过程中染色体不分离，导致性染色体二倍体配子产生，常见的核型有47，XXY /46，XY、48XXXY /46，XY等，其中约80%-90%的克氏综合征患者核型为 47，XXY。 

在中科院动物所李卫研究员与山东大学陈子江院士团队的一项父源USP26突变增加小鼠和人类后代的克氏综合征风险的研究中^[2]，发现USP26可与TEX11相互作用调节性染色体的重组和配对。此外，还发现KS后代的比例也与USP26^-/Y雄性小鼠的年龄有关，且KS后代是由6月龄的Usp26^-/Y小鼠产生的，而不是由2月龄的Usp26^-/Y小鼠产生的。并且观察到大量的Usp26^-/Y纺锤体表现出染色体滞后，且带有这些染色体的部分细胞TUNEL呈阴性，因此，推测衰老的Usp26^-/Y雄性小鼠纺锤体装配检查点的失活可能导致非整倍体精子的产生，从而加剧生育力下降。（Usp26敲除小鼠（2664bp）和Tex11敲除小鼠由赛业生物构建） 

在Maram Arafat等人的一项关于USP26突变与SCOS患者的无精子症相关研究中，患者睾丸组织病理切片中仅出现支持细胞（图2），且患者白细胞基因组DNA进行全外显子测序（whole exome sequencing，WES）和染色体分析结果仅出现USP26基因突变，表明USP26突变可能是导致SCOS的重要原因之一。 

图2. SCOS患者的睾丸组织病理学切片^[3]

在西安交通大学基础医学院的一项关于USP26基因突变导致小鼠精子发生缺陷相关的雄性生育力低下的研究中，利用C57BL/6J小鼠建立USP26敲除小鼠（Usp26^-/Y），分别检测野生型小鼠（Usp26^+/Y）与USP26敲除小鼠生育率、血清中激素水平、精子数量，精子活力，睾丸细胞DNA含量、睾丸细胞倍型分析，结果显示，USP26敲除小鼠的USP26蛋白在睾丸组织中无表达（图3）；相比于Usp26^+/Y小鼠，Usp26^-/Y小鼠的生育率降低约18.72%、睾酮（T）水平只有野生型小鼠的49.1%、促黄体生成素（LH）增加到387%；促卵泡激素（FSH）无显著变化；精子数量减少、活力无明显差异；成熟的单倍体生殖细胞（HC）显著减少；未成熟单倍体、二倍体和四倍体细胞没有差异。

图3. IHC染色分析USP26蛋白在Usp26^+/Y小鼠和 Usp26^-/Y小鼠睾丸中的表达和分布^[4] 

图4. Usp26缺失导致雄性小鼠不育^[4]。A） Usp26^+/Y和Usp26^−/Y小鼠体内的生殖能力。n = 11 and 15; *P < 0.05. B） ELISA测定Usp26^+/Y和Usp26^−/Y小鼠性激素水平。（每组n = 10）. LH, luteinizing hormone（促黄体激素）; FSH, follicle-stimulating hormone（促卵泡激素）; E2, estradiol（雌二醇）; T, testosterone（睾酮）. *P < 0.05, **P < 0.001. C-F）精液分析结果。所有值用平均值±SD表示（n = 10）。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey的多重比较检验确定统计学差异。C）计算机辅助精子分析（CASA）的Usp26^+/Y和Usp26^−/Y小鼠精子计数。D） 0.5%伊红染色计数活精子。♦: 活精子; ☆:死精子。E） CASA检测Usp26^+/Y和Usp26^- /Y小鼠的精子活力和活力。F） CASA计数Usp26^+/Y和Usp26^-/Y小鼠进行性和非进行性精子百分比。G） Usp26^+/Y和Usp26^-/Y小鼠睾丸的流式细胞术分析（每种基因型n = 10）: G）睾丸细胞代表性DNA含量分布直方图。流式细胞仪直方图显示Usp26 ^-/Y和Usp26^+/Y小鼠有4个主要峰:HC峰（成熟单倍体细胞或细长精子细胞）、1C峰（未成熟单倍体细胞或圆形精子细胞）、2C峰（精原细胞和次级精母细胞）和4C峰（初级精母细胞）;蓝线:野生型小鼠;红线:纯合小鼠。H） Usp26^-/Y和Usp26^+/Y小鼠睾丸亚单倍体（HC）、单倍体（1C）、二倍体（2C）和四倍体（4C）细胞的相对百分比，*P＜0.05。

目前，胞浆内单精子显微注射治疗（Intracytoplasmic sperm injection, ICSI）是一种有效的治疗弱畸型精子症的方法。在2021年国内的一项USP26突变诱导的男性不育和弱精子症的研究中，对两名携带USP26突变的男性进行卵胞浆内单精子显微注射（Intracytoplasmic sperm injection, ICSI）辅助生殖治疗。如表所示，H002 II-1在中期提取4个卵母细胞，4个受精卵。在这些细胞中发育出3个质量良好的细胞，其中2个用于胚胎移植，这对夫妇成功地怀孕和分娩了一次。对于H042 II-1，在中期提取10个卵母细胞，7个受精。胚胎移植后预后良好。因此，ICSI可推荐用于与usp26相关的畸形精子症的治疗。 

表2. USP26突变精子的ICSI周期临床结果^[5]

精子发生作为男性生育过程的重要环节，是睾丸特异性的多步骤生物学过程，受复杂的机制调控。在精子发生过程中，去泛素化酶在调节多种细胞活动和蛋白质周转（如鱼精蛋白和替代组蛋白）、生殖细胞凋亡、有丝分裂增殖和精原干细胞分化中发挥重要作用。多项研究表明，具有去泛素化功能的USP26基因变异与部分男性不孕表型有重要关系。而ICSI作为一种辅助生殖技术，有望成为帮助不孕夫妇成功怀孕的重要工具。 

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参考文献：

[1] Wang PJ, Page DC, McCarrey JR. Differential expression of sex-linked and autosomal germ-cell-specific genes during spermatogenesis in the mouse. Hum Mol Genet. 2005;14（19）:2911-2918.

[2] Liu C, Liu H, Zhang H, et al. Paternal USP26 mutations raise Klinefelter syndrome risk in the offspring of mice and humans. EMBO J. 2021;40（13）:e106864.

[3] Arafat M, Zeadna A, Levitas E, et al. Novel mutation in USP26 associated with azoospermia in a Sertoli cell-only syndrome patient. Mol Genet Genomic Med. 2020;8（7）:e1258.

[4] Tian H, Huo Y, Zhang J, et al. Disruption of ubiquitin specific protease 26 gene causes male subfertility associated with spermatogenesis defects in mice†. Biol Reprod. 2019;100（4）:1118-1128.

[5] Liu C, Shen Y, Shen Q, et al. Novel Mutations in X-Linked, USP26-Induced Asthenoteratozoospermia and Male Infertility. Cells. 2021;10（7）:1594. Published 2021 Jun 25.