EXOSC10核糖核酸酶缺失通过破坏精母细胞减数分裂转录组稳态导致小鼠雄性不育的机制研究

为解决男性不育中减数分裂异常机制不明的问题，山东大学团队通过构建Stra8-Cre介导的Exosc10条件敲除小鼠模型，结合单细胞转录组测序技术，首次揭示EXOSC10通过调控rRNA加工、核糖体组装和减数分裂相关基因表达维持精母细胞减数分裂进程，其缺失导致染色体联会异常、DNA修复缺陷和雄性不育。该研究为男性不育诊疗提供了新靶点。

　　

在哺乳动物生殖生物学领域，精子发生是一个高度协调的复杂过程，涉及精原干细胞有丝分裂、精母细胞减数分裂和精子形成三个阶段。其中减数分裂的精确调控对产生单倍体精子至关重要，任何环节的异常都可能导致男性不育。然而，目前对减数分裂过程中转录组动态调控的分子机制仍知之甚少。RNA外切体复合物核心核糖核酸酶EXOSC10（又称RRP6）作为转录后调控的关键因子，虽在卵母细胞成熟中的作用已被报道，但其在雄性生殖细胞减数分裂中的功能仍存在争议。

山东大学的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的研究中，通过构建Stra8-Cre介导的生殖细胞特异性Exosc10条件敲除（cKO）小鼠模型，结合多组学分析技术，系统阐明了EXOSC10在精子发生中的关键作用。研究人员发现Exosc10 cKO雄性小鼠表现为完全不育，睾丸显著萎缩，组织学分析显示生精小管内精母细胞大量凋亡且完全缺失减数分裂后生殖细胞。通过免疫荧光染色和染色体铺片技术，证实EXOSC10缺失导致精母细胞减数分裂阻滞在偶线期/粗线期，伴随染色体联会异常（SYCP1/SYCP3信号紊乱）、DNA双链断裂修复缺陷（γH2AX和DMC1 foci异常）和交叉重组减少（MLH1 foci显著降低）。

为解析分子机制，研究采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）对P21小鼠睾丸细胞进行聚类分析，发现cKO组精母细胞比例从对照组的24.9%骤降至4.8%，且伪时序分析显示减数分裂进程在粗线期出现分支阻滞。转录组分析揭示：在leptotene/zygotene/pachytene精母细胞中，2,576-4,389个差异表达基因（DEGs）被鉴定，其中上调基因富集于mRNA代谢和DNA修复通路，而下调基因显著关联rRNA加工（如Rpl35a、Rps7）和核糖体组装（如Rps6、Fau）。RT-qPCR验证显示cKO精母细胞中5'ETS和ITS1区pre-rRNA加工缺陷，同时减数分裂关键基因（Spo11、Dmc1、Sycp1等）表达紊乱。

关键技术方法包括：1）采用Stra8-GFPCre knock-in小鼠与Exosc10^F/F
小鼠交配构建生殖细胞特异性敲除模型；2）通过免疫组化、Western blot和TUNEL检测分析表型；3）运用染色体铺片结合SYCP3/γH2AX/MLH1共染色评估减数分裂进程；4）基于10X Genomics平台进行scRNA-seq及生物信息学分析；5）采用特定引物组通过RT-qPCR检测pre-rRNA加工效率。

研究结果部分：

1. Exosc10表达模式分析：RT-qPCR显示Exosc10 mRNA在睾丸高表达且随发育递增，免疫荧光证实其在精原细胞（PLZF⁺
   ）和精母细胞（SYCP3⁺
   ）核内富集。
2. 生育力与组织学表型：Exosc10 cKO雄性完全不育，睾丸重量从P17起显著降低，生精小管出现唯支持细胞现象和巨支持细胞，附睾中无成熟精子。
3. 精原细胞发育障碍：P7时cKO睾丸中PLZF⁺
   未分化精原细胞和c-KIT⁺
   分化精原细胞数量减少50%以上。
4. 减数分裂缺陷：P12-P21 cKO睾丸中γH2AX⁺
   和SYCP3⁺
   精母细胞减少60%-70%，P21时完全缺失PNA⁺
   圆形精子细胞。
5. 分子机制探索：scRNA-seq显示cKO精母细胞中342个持续下调基因富集于rRNA加工通路，83个上调基因关联mRNA稳定性调控；pre-rRNA检测发现5'ETS/ITS1区片段累积提示3'端加工缺陷。

该研究创新性地揭示了EXOSC10通过双重机制保障精子发生：一方面降解异常转录本维持RNA代谢稳态，另一方面通过pre-rRNA加工保障核糖体生物发生，从而协调减数分裂相关基因的翻译调控。这不仅解决了先前关于EXOSC10在雄性生殖中功能争议（与早期报道的亚不育表型不同，本研究发现完全不育），还为男性非梗阻性无精症提供了新的诊断标记和治疗靶点。值得注意的是，EXOSC10在精母细胞和卵母细胞中均通过调控转录组稳定性影响减数分裂，这种进化保守性暗示其在配子发生中具有普适性调控机制，为生殖障碍的共性机制研究开辟了新视角。