精子发生是一个高度精密且受到表观遗传严密调控的复杂发育过程。然而，人类男性精子发生过程中的确切染色质动态变化规律，及其在非梗阻性无精子症中的系统性调控衰竭机制，尚未得到充分阐明。近日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）汤富酬团队与北医三院乔杰团队合作在 Protein & Cell 杂志在线发表了题为 “Epigenetic Dynamics of Human Spermatogenesis and Their Dysregulation in Non-Obstructive Azoospermia” 的研究论文。该研究首次在单细胞分辨率下重构了人类精子发生全过程的高精度染色质可及性图谱，并为解析导致男性不育的非编码区遗传变异机制提供了全新研究模式。
非梗阻性无精子症（NOA）是男性不育症中最严重的类型之一。减数分裂过程高度复杂，其中转瞬即逝的表观遗传重塑（如：同源重组热点的染色质动态开启与关闭）及其在非梗阻性无精子症发病中的异常机制，一直未能得到系统的解析。为了填补这一认知空白，研究团队利用高精度单细胞染色质可及性测序技术，对 16 例生精功能正常的个体和15 例不同亚型的非梗阻性无精子症患者的睾丸组织进行了深度测序，成功在人类基因组中鉴定出 81 万多个候选顺式调控元件（cCRE）。基于这一高精度图谱，该研究取得了以下几项突破性发现：
1. 揭示男性生殖细胞中主导转录因子组合的“波浪式”协同激活机制
研究发现，在正常的精子发生过程中，不同发育阶段的主导转录因子组合呈现出高度同步、波浪式（wave-like）的协调激活模式。这种精妙的“相位”控制确保了生殖细胞有丝分裂和减数分裂进程中各种复杂生物学事件的有序推进。
图1.不同发育阶段主导转录因子激活模式
2. 揭示减数分裂过程中同源重组热点的染色质状态调控规律
减数分裂同源重组是精子发生的核心事件之一。研究团队首次在单细胞分辨率下，精准追踪了减数分裂过程中同源重组热点区域染色质可及性变化动态。该研究界定了一个短暂的“表观遗传预授（Epigenetic Licensing）”窗口：在此期间，全基因组六万个潜在同源重组热点中约五千个热点区域会选择性地切换为开放状态；此后这五千个开放的热点中有约两百个区域发生双链断裂，最终其中有数十个区域完成同源重组，实现交叉互换。这一级联选择机制揭示了生殖细胞对同源重组的调控实现了随机性与精确性的巧妙平衡。
图2.减数分裂过程中同源重组热点的染色质状态
3. 揭示主导转录因子组合的系统性解耦导致非梗阻性无精子症的作用机制
在非梗阻性无精子症患者中，上述精妙的表观遗传架构发生了系统性崩溃，导致男性生殖细胞发育阻滞在减数分裂的偶线期。研究团队将这一病理机制精准刻画为主导转录因子活性的时间相位偏移（dephasing）与网络解（decoupling）。更关键的是，部分非梗阻性无精子症患者的同源重组热点区域未能正常开放，导致同源重组受阻，染色质交叉互换数量减少，患者精子非整倍体率大幅度升高。
图3. 非梗阻性无精子症患者主导转录因子调控系统性解耦
4. 揭示基因组非编码区致病突变导致非梗阻性无精子症的全链路作用机制及其精准诊断新模式
传统的全外显子组测序难以有效解释散发型非梗阻性无精子症病例中非编码区突变的致病性。该研究巧妙地将突变分析锚定在活跃的顺式调控元件上，不仅解析了经典 GWAS 变异位点如何影响减数分裂，还首次证实了散发型非梗阻性无精子症患者中非编码区的单核苷酸变异（SNV）能够破坏关键转录因子的结合基序，导致精子发生受阻，产生无精子症表型。以转录因子PITX2 基因调控区突变为例，该SNV阻碍了其上游转录因子NFY 激活复合物的正常结合，直接导致靶基因PITX2的转录受阻，进而引发下游生精网络的级联失效，使得精子发生阻滞在减数分裂偶线期，无法产生成熟精子。
图4. 由 SNV 引起的 PITX2 功能失调
综上所述，该研究不仅提供了一份高精度的人类精子发生表观遗传图谱，还将非梗阻性无精子症的发病机制从描述性的细胞学表型推进到了精确的基因互作网络级联调控衰竭的层面。这为未来男性不育症的精准分子诊断和非编码区靶向治疗提供了重要的理论基石和潜在干预靶点。
北京大学汤富酬教授，北医三院乔杰院士为该论文的共同通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士后谢昊伶（现为北京师范大学生命科学学院讲师），李静一博士，北医三院生殖医学中心助理研究员张丽，北京大学前沿交叉学科研究院博士后许学强博士为该论文并列第一作者。
