基因集富集分析筛选出的单基因位点揭示了男性不育中的关键通路和多系统受累

《Basic and Clinical Andrology》：Gene set enrichment analysis of curated monogenic loci highlights key pathways and multisystem involvement in male infertility

　　

背景：男性不育影响全球约10%的男性，然而约70%的病例缺乏明确的遗传诊断。下一代测序（next-generation sequencing, NGS）已发现许多单基因原因，其中许多与更广泛的系统性疾病相关。研究人员从文献和临床遗传学panel中筛选了596个与男性不育相关的候选基因。使用g: Profiler、REVIGO和PANTHER对强证据基因进行基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA），以识别过表达的基因本体（Gene Ontology, GO）术语和Reactome通路。利用GTExv8评估基因-组织表达谱。在178个强证据基因中，富集分析揭示了与纤毛和鞭毛功能（如纤毛运动、动力蛋白复合体）、内分泌信号（如激素受体结合、类固醇生物合成）和DNA修复机制（特别是范可尼贫血核复合体）相关的术语显著过表达。Reactome通路分析确定了雄激素、糖皮质激素和盐皮质激素生物合成，BBSome介导的纤毛运输和减数分裂的过表达。组织表达聚类发现了性腺外表达模式，暗示肾上腺、下丘脑和系统性参与遗传型男性不育。结论：研究人员的基因集富集和组织表达分析表明，男性不育的单基因原因富集于纤毛运动、内分泌调节和DNA修复通路，这些通路在性腺外器官系统中也起作用。这些发现与将男性不育与更广泛的健康状况联系起来的流行病学观察一致，并支持对受影响个体进行多学科评估和护理。

男性不育影响全球约10%男性，但约70%病例缺乏明确遗传诊断。尽管Y染色体微缺失等已知，下一代测序（next-generation sequencing, NGS）已发现大量单基因原因，且许多与系统性综合征相关。为揭示这些基因富集的生物学通路及其对整体健康的启示，研究人员从文献、OMIM和临床遗传学panel筛选596个候选基因，按证据强度分类，并对178个强证据基因进行基因本体（Gene Ontology, GO）、Reactome通路和基因组织表达分析。该研究发表在《Basic and Clinical Andrology》。

研究人员开展了系统性基因筛选与多维度富集分析。主要关键技术方法包括：（1）基于PubMed、OMIM及三个临床遗传学panel（Prevention Genetics、Fulgent、芝加哥大学遗传服务）的基因识别与分类，根据病理生理学分为早期发育、睾丸前/内分泌、睾丸、睾丸后/梗阻四大类；（2）证据强度分级，强证据基因由OMIM明确表型或Houston等文献确认；（3）GO富集分析使用g: Profiler（阈值p-adj < 0.05）及REVIGO进行语义去冗余；（4）Reactome通路分析使用PANTHER（Bonferroni校正，Fisher精确检验，p < 0.05）；（5）基因-组织表达分析利用GTExv8数据库（健康成人RNA测序数据），绘制热图分析强证据基因在各类别中的组织表达模式。

研究结果分四个子标题呈现：

**基因特性**：通过文献回顾和临床panel，识别596个候选基因，其中178个为强证据基因，较2020年104个增加71%。强证据基因列表（补充表1）含分类、功能、表型及文献支持。

**强证据候选基因的富集分析**：使用g: Profiler对GO进行分析。分子功能（GO-MF）最显著驱动术语为微管/纤毛功能，其他包括类固醇激素代谢与作用；细胞组分（GO-CC）显著术语为纤毛/鞭毛、核与染色体组织、DNA修复；生物过程（GO-BP）驱动术语为纤毛/鞭毛功能、类固醇合成与代谢、神经元发育。REVIGO生成的关键词云进一步强调了这些语义概念。

**通路分析**：通过PANTHER进行Reactome通路分析，发现激素作用/调节、纤毛功能、细胞分裂等主题过表达，具体包括雄激素、糖皮质激素、盐皮质激素生物合成，BBSome介导的纤毛运输，以及减数分裂通路。

**强证据候选基因的基因组织表达分析**：利用GTExv8分析不同病因类别基因的组织表达热图。早期发育类基因中，一组在肾上腺强表达（如CYP11A1、CYP21A2、CYP17A1），另一组广谱表达（如PTPN11、RAF1），还有一组在多组织中表达（如MTOR、DHX37）。内分泌类基因多数在垂体和下丘脑表达，簇分析显示有广谱表达组（如NSMF、FGFR1、PNPLA6）、中等表达组（如POLR3A、CHD7）及睾丸/下丘脑表达组（如TAC3、SOX3）。睾丸类基因几乎都在睾丸表达，簇分析显示有广谱表达组（如BBS1、USP9Y、DNAAF5）、中等表达组（如DNAAF2、DNAH1、CFAP44）及仅睾丸表达组（如TEX15、TERB1、ACTL9）。

讨论部分总结：研究表明纤毛/鞭毛生物学是最突出的主题，BBS基因广谱表达符合巴德-比德尔综合征的多系统表型。范可尼贫血核复合体富集提示DNA修复缺陷与骨髓衰竭、恶性肿瘤等系统性关联。内分泌通路中盐皮质激素和糖皮质激素生物合成过表达，暗示肾上腺参与男性不育病因，如睾丸肾上腺残余瘤。未富集的顶体、凋亡、氧化应激术语则强调统计检验区分已知与真正过表达通路的价值。局限性包括基因集偏向已研究通路、富集分析非因果、组织表达数据为成人平均值。结论翻译：通过将基因本体（GO）、Reactome通路分析和基因-组织表达分析应用于178个男性不育基因的筛选集，研究人员发现纤毛/鞭毛、内分泌和DNA修复通路显著过表达，所有这些通路在性腺外器官系统中均已知有作用。这些发现与将男性不育与更广泛的系统健康联系起来的流行病学证据一致，并支持为男性不育患者实施多学科评估，整合泌尿科、内分泌科、肺科、肿瘤科和医学遗传学的专业知识。随着基因组测序技术不断发现新的位点，需要对候选基因进行功能验证并进一步探索其性腺外效应。扩展男性不育的遗传格局将增强研究人员对生殖病理生理学的理解，并推进个性化诊断、治疗和整体患者护理的潜力。