精子全基因组测序揭示男性生殖系广泛正选择及其对子代疾病风险的影响

为解决男性生殖系突变积累与正选择机制不明的问题，研究人员通过NanoSeq双链测序技术对81份精子样本进行深度测序，发现40个基因（含31个新基因）在精子发生过程中存在显著正选择，导致中老年男性3-5%的精子携带致病突变。该研究首次系统性揭示生殖系正选择的通路多样性和突变机制，为理解父系年龄效应和子代发育障碍风险提供了重要依据。

　　

随着父系生育年龄的不断推迟，男性生殖系突变对子代健康的影响日益受到关注。传统观点认为，精子作为遗传信息的传递者，其突变率远低于体细胞。然而，近年研究发现，精子发生过程中存在"自私"的精原干细胞克隆扩张现象——某些获得性驱动突变（driver mutations）会赋予细胞生长优势，导致突变精子比例异常升高，进而显著增加子代发育障碍的风险。由于技术限制，此前对生殖系正选择（positive selection）的研究仅局限于少数基因（如FGFR3、RET等RAS-MAPK通路基因），且主要针对激活型错义突变。男性生殖系中是否存在更广泛的正选择？其他通路和功能缺失型突变是否也参与其中？这些选择如何随年龄累积？这些问题亟待解答。

针对上述问题，英国Wellcome Sanger研究所的Matthew D.C. Neville等研究人员在《Nature》发表了最新研究成果。他们利用双链测序技术NanoSeq（误差率<5×10^-9）对TwinsUK队列中57名24-75岁男性的81份精子样本和63名男性的119份血液样本进行全基因组、外显子组和靶向测序（靶向263个癌症驱动基因），通过创新性优化dNdScv算法（引入双链覆盖度、CpG甲基化水平和五核苷酸上下文校正），系统解析了精子突变积累规律、正选择基因谱及其对疾病风险的贡献。

研究首先证实精子年突变积累率为1.67（95% CI: 1.41-1.92）个/单倍体基因组，以衰老相关签名SBS1（16%）和SBS5（84%）为主，且突变率仅为血液的1/7.6（4.2-11.5倍差异），支持生殖系受到更好保护的观点。外显子组分析发现全局dN/dS比值为1.07（95% CI: 1.04-1.10），意味着6.5%的非同义突变受正选择驱动，且该比值随年龄增长（26-42岁:1.01→59-74岁:1.09）和在精原干细胞高表达基因中显著升高（dN/dS=1.25），表明选择优势主要作用于精子发生早期阶段。

通过整合外显子组和靶向数据，研究鉴定出40个显著正选择基因（31个为新发现），包括已知的RAS-MAPK通路基因（PTPN11、NF1、RIT1等）和大量新基因。突破性发现是：30/31新基因富含功能缺失（loss-of-function, LOF）突变（无义、剪接和插入缺失突变），涉及WNT（CSNK2B、MIB1、CCAR2）、TGFβ-BMP（SMAD6、TCF12、BMPR2）信号通路和表观遗传修饰（KDM5B、KDM5C、EP300等），显著拓宽了正选择的机制和通路范围。值得注意的是，SMAD4基因呈现两种独立热点——一个关联癌症，另一个关联Myhre综合征（发育障碍），体现了突变机制的多样性。

正选择基因与疾病密切相关：27/31新基因与单基因发育障碍相关（DDG2P/OMIM数据库），16个属癌症普查基因（COSMIC）。高频体细胞突变（COSMIC >50次）和发育障碍新生突变（DDD队列 >5次）在精子中分别富集11倍和66倍，证实了生殖系与体细胞选择机制的共通性。

研究进一步量化了致病突变负荷：通过等位基因频率（VAF）聚合分析发现，中老年男性精子中致病突变比例显著高于中性模型预期。30岁男性2%（95% CI:1.6-2.5%）、70岁男性4.5%（95% CI:3.9-5.2%）的精子携带单倍剂量不足的致病突变（ClinVar致病性变异或CADD>30的发育障碍基因突变），较预期升高2-3倍。其中，已知驱动突变解释1/3超额风险（70岁男性占精子2.6%），其余风险可能来自未发现驱动基因。值得注意的是，KDM5B、MIB1、SMAD6等6个基因贡献了20%以上的疾病负荷，虽单个突变频率低，但集中分布于特定基因。

与群体遗传数据对比发现，健康子代新生突变（DNMs）dN/dS接近中性（0.98），而发育障碍子代DNMs显著富集（1.36），gnomAD数据库高频变异dN/dS随 allele frequency（AF）升高而下降，表明精子正选择是突变输入的主要驱动力，而群体中净化选择（purifying selection）占主导。尤其值得注意的是，SMAD6、MIB1、LZTR1和SSX1四个基因的LOF突变在gnomAD中频率异常升高，提示其正选择强度可能超过后续净化选择的清除能力。

该研究首次在单分子分辨率描绘了男性生殖系突变图谱和正选择动态，揭示精子发生中存在广泛的正选择，涉及多通路和LOF机制，直接导致父系年龄相关子代疾病风险显著升高（3-5%精子携带致病突变）。这些发现更新了对生殖系进化动力学的认知，为发育障碍基因发现（需区分生殖系选择与真实疾病关联）、遗传咨询和男性生殖健康管理提供了重要依据。未来需结合长读长测序技术探索其他变异类型，并在更大队列中验证环境因素（如吸烟、饮酒）对生殖系突变的影响。