敲除家族序列相似性170成员A(Fam170a)导致雄性生育力低下,而Fam170b在小鼠中非必需†

Knockout of family with sequence similarity 170 member A (Fam170a) causes male subfertility, while Fam170b is dispensable in mice†

作者信息Darius J Devlin, Kaori Nozawa, Masahito Ikawa, Martin M Matzuk
PMID32588889
发布时间2020-08-04
DOI10.1093/biolre/ioaa082

实验完整度

包含体外细胞定位实验、CRISPR/Cas9基因敲除小鼠模型、生育力评估、组织学分析、精子形态与运动功能检测及机制初探等多层级验证。

主要模型

小鼠(B6D2F1杂交背景) Fam170a基因敲除小鼠 Fam170b基因敲除小鼠 Fam170a/Fam170b双基因敲除小鼠 COS-7细胞

重点核对

Fam170a−/−雄性小鼠与野生型雌鼠交配6个月的窝产仔数和妊娠率 Fam170a−/−精子头形态异常和弯曲颈部等异常比例 Fam170a−/−精子的前向运动力和超活化比例 Fam170a基因敲除的2-bp缺失和Fam170b基因敲除的35-bp缺失的测序确认 Fam170a-cFlag敲入小鼠中FAM170A在长形精子细胞核的定位

摘要

家族序列相似性170成员A和B(FAM170A和FAM170B)是睾丸特异性的旁系同源蛋白,具有31%的氨基酸同一性,并在哺乳动物中保守。虽然先前的体外实验表明,FAM170B(一种顶体定位蛋白)在小鼠精子顶体反应和受精中发挥作用,但FAM170A在睾丸中的作用尚未被探索。在本研究中,我们使用CRISPR/Cas9为每个基因生成无效等位基因,并将纯合无效(−/−)雄性小鼠与野生型雌性小鼠交配6个月以评估生育力。发现Fam170b−/−雄鼠产生正常的窝产仔数,并具有正常的精子数量、活力和精子形态。相比之下,交配实验显示,与对照组相比,Fam170a−/−雄鼠的窝产仔数和妊娠率显著降低。Fam170a−/−;Fam170b−/−双敲除雄鼠也产生显著减少的窝产仔数,尽管与单独Fam170a−/−相比没有显著差异,表明Fam170b不能补偿Fam170a的缺失。Fam170a−/−雄鼠表现出异常的精子释放、异常的头形态和降低的前向精子活力。因此,FAM170A在雄性生育力中具有重要作用,因为该蛋白的缺失导致生育力低下,而FAM170B是可缺失的。FAM170A在精子发生中的分子功能尚不清楚;然而,该蛋白定位于长形精子细胞的细胞核中,可能通过调节其他基因的表达来介导其对精子细胞头塑形和精子释放的影响。这项工作首次描述了FAM170A在生殖中的作用,并对改善人类男性不育诊断具有意义。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
FAM170A和FAM170B在雄性生育力中的体内作用是什么?
核心机制
FAM170A定位于长形精子细胞核,可能通过调节基因表达影响精子头塑形和精子释放,但具体分子机制尚不明确。
主要证据
CRISPR/Cas9敲除小鼠模型显示Fam170a缺失导致精子头形态异常、精子释放缺陷和进行性运动力下降,进而引起亚生育力;Fam170b缺失无表型影响。
研究意义
首次确定FAM170A在雄性生育力中的必要性,为男性不育诊断提供潜在新靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

基因表达与定位分析

确定Fam170a和Fam170b的组织和时空表达模式以及FAM170A的亚细胞定位。

通过RT-PCR分析12种小鼠组织的表达,对PND3-60的睾丸进行表达分析;在COS-7细胞中表达FAM170A-cFLAG并免疫染色;通过CRISPR/Cas9生成Fam170a-cFlag敲入小鼠并染色睾丸切片。

2

基因敲除小鼠的生成与验证

生成并验证Fam170a和Fam170b基因敲除小鼠品系。

使用CRISPR/Cas9电穿孔技术生成Fam170a 2-bp缺失突变体(Fam170aem1Osb)和Fam170b 35-bp缺失突变体(Fam170bem2Osb),通过Sanger测序和PCR基因分型验证突变,利用qRT-PCR和FAM170B抗体确认敲除效果。

3

生育力评估

评估Fam170a和Fam170b敲除对雄性生育力的影响。

将−/−雄性小鼠与野生型雌鼠以三只一笼方式交配6个月,记录窝产仔数和每只雄鼠产仔窝数;进行定时交配实验,记录阴道栓数量和妊娠率。

4

组织学和精子形态分析

分析Fam170a缺失对精子发生和组织结构的影响。

通过PAS-hematoxylin染色检查睾丸和附睾的组织学,观察精子释放和精子头形态;通过透射电镜和免疫荧光分析精子细胞核和细胞器结构;用相差显微镜分类计数附睾精子形态异常。

5

精子运动功能分析

评估Fam170a缺失对精子运动能力的影响。

使用CASA系统测量附睾尾部精子的总运动力和前向运动力,通过CASAnova算法在15分钟和120分钟孵育后分类精子运动模式。

6

潜在靶基因表达检测

检测Fam170a缺失对候选靶基因表达的影响。

通过qRT-PCR比较Fam170a+/−和Fam170a−/−小鼠睾丸中热休克基因、核压缩基因、顶体特化组分基因和LINC复合物组分基因的表达水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
TRIzol试剂Invitrogen--
RNeasy迷你试剂盒Qiagen--
Superscript III逆转录酶Invitrogen--
qScript cDNA超级混合液Quanta Biosciences--
2× SYBR Green PCR预混液Invitrogen--
Lightcycler 480Roche--
抗FLAG抗体SigmaF1804
抗GOLGIN-97抗体Abcamab84340
抗TNP1抗体ProteinTech17178–1-AP
抗α-微管蛋白-Alexa Fluor 488抗体Invitrogen322588
抗FAM170B抗体Abcamab128280
驴抗小鼠IgG-Alexa Fluor 488Life TechnologiesA21202
驴抗兔IgG-Alexa Fluor 594Life TechnologiesA21207
花生凝集素-FITCSigmaL-7381
大豆凝集素-FITCVector LabsFL-1011
DAPISigmaD9542
DMEM培养基Gibco11965092
青霉素-链霉素试剂Gibco15140122
OptiMEM培养基Gibco11058021
PEI试剂Polysciences Inc.23966-2
COS-7细胞ATCCCRL-1651
Immumount封片剂Thermo Fisher Scientific1900331
Zeiss LSM 880共聚焦显微镜Zeiss--
Zeiss AxioObserver显微镜Zeiss--
Olympus BX41显微镜Olympus--
Olympus CKX41显微镜Olympus--
Nova NanoSEM 230扫描电镜FEI--
Bouin固定液Sigma--
Histo-Clear透明剂VWR--
计数载玻片CellVision--
CEROS II动物CASA仪Hamilton Thorne--
NEPA21超级电穿孔仪Nepagene--
Cas9蛋白Thermo Fisher Scientific--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠背景(B6D2F1、B6129S6)
阅读提示:Materials and methods - Animals
基因敲除
sgRNA靶序列、突变类型(2-bp缺失、35-bp缺失)、基因分型方法
阅读提示:Materials and methods - CRISPR/Cas9-mediated mutant mouse generation
生育力评估
交配方案(三只一笼)、交配时长(6个月)、定时交配阴道栓计数(至少20个)
阅读提示:Materials and methods - Male fertility assessment
组织学分析
组织固定方法(Bouin固定液)、切片厚度(5 μm)、染色方法(PAS-hematoxylin)
阅读提示:Materials and methods - Histology and sperm phase contrast
精子形态分析
精子计数(至少400个附睾尾部精子)、形态分类标准
阅读提示:Materials and methods - Histology and sperm phase contrast
精子运动分析
CASA参数(VAP、VCL、VSL、ALH、BCF)、孵育时间(15分钟和120分钟)
阅读提示:Materials and methods - Sperm count and motility assessment