Genetic causes of male infertility: snapshot on morphological abnormalities of the sperm flagellum

Basic Clin Androl. 2019 Mar 4;29:2. doi: 10.1186/s12610-019-0083-9. eCollection 2019.

Abstract

Male infertility due to Multiple Morphological Abnormalities of the sperm Flagella (MMAF), is characterized by nearly total asthenozoospermia due to the presence of a mosaic of sperm flagellar anomalies, which corresponds to short, angulated, absent flagella and flagella of irregular calibre. In the last four years, 7 novel genes whose mutations account for 45% of a cohort of 78 MMAF individuals were identified: DNAH1, CFAP43, CFAP44, CFAP69, FSIP2, WDR66 (CFAP251), AK7. This successful outcome results from the efficient combination of high-throughput sequencing technologies together with robust and complementary approaches for functional validation, in vitro, and in vivo using the mouse and unicellular model organisms such as the flagellated parasite T. brucei. Importantly, these genes are distinct from genes responsible for Primary Ciliary Dyskinesia (PCD), an autosomal recessive disease associated with both respiratory cilia and sperm flagellum defects, and their mutations therefore exclusively lead to male infertility. In the future, these genetic findings will definitely improve the diagnosis efficiency of male infertility and might provide genotype-phenotype correlations, which could be helpful for the prognosis of intracytoplasmic sperm injection (ICSI) performed with sperm from MMAF patients. In addition, functional study of these novel genes should improve our knowledge about the protein networks and molecular mechanisms involved in mammalian sperm flagellum structure and beating.

Les infertilités masculines dues au phénotype de « flagelles courts » ou « Multiple Morphological Abnormalities of the sperm Flagella » (MMAF), sont caractérisées par une asthénozoospermie quasi totale associée à la présence d’une mosaïque d’anomalies flagellaires correspondant à des flagelles courts, angulés, absent ou de calibre irrégulier. Durant les quatre dernières années, une approche génétique par séquençage d’exome de 78 patients MMAF a permis l’identification de mutations causales dans 7 gènes: DNAH1, CFAP43, CFAP44, CFAP69, FSIP2, WDR66 (CFAP251), AK7, permettant ainsi un diagnostic pour près de 45% des sujets de la cohorte. Ce succès remarquable résulte de la combinaison efficace de technologies de séquençage à haut débit et d’approches complémentaires de validation fonctionnelle des mutations, in vitro et in vivo, dans le modèle murin et les modèles unicellulaires tels que le parasite flagellé T. brucei.De manière importante, les gènes identifiés sont distincts des gènes responsables de Dyskinésie Ciliaire Primitive (DCP), une maladie autosomale récessive associée à des défauts des cils et du flagelle, et leurs mutations induisent par conséquent une infertilité masculine isolée. Dans le futur, ces résultats génétiques vont permettre d’améliorer le diagnostic des infertilités masculines humaines et potentiellement de fournir des corrélations génotype-phénotype, utiles pour le pronostic de la fécondation in vitro par injection intra-cytoplasmique des spermatozoïdes de sujets MMAF. Par ailleurs, les études fonctionnelles de ces nouveaux gènes identifiés, permettront de mieux définir les mécanismes moléculaires et les complexes protéiques impliqués dans l’assemblage et le battement du flagelle.

Keywords: AK; CFAP; DNAH; Genetic; MMAF; Male infertility; Sperm; WDR.