从低等生物到高等生物的演进过程中，Y染色体基因的丢失被认为是哺乳动物性染色体分化的重要途径。大约2500万年前，Y染色体基因终于停止了快速缩水的进程：经历亿万年裂变重组之后的剩余基因，在此后的岁月中保持了惊人的稳定性，也成为雄性子代得以存活和繁衍的决定性因素。
X染色体（蓝色）与Y染色体（橙色）（图片来源：《自然》）
数年前，一篇西方遗传论文的观点让学术界为之瞠目：该文认为Y染色体的某个特殊的拷贝数变异（copy number variation, CNV）——AZFc区的部分缺失会导致白人男性不育，而这种变异在中国男性人口中比率竟然高达10%！不少学者对这个数字感到震惊，由此投入相关研究并希望解释数字背后的秘密。
复旦大学张锋教授通过缜密的样本分析，得出结论：同样的CNV在不同种族人群中不仅发生率有所不同，所导致的临床症状也有显著差异，中国男性精子样本的研究不支持西方论文的观点。这样一个偶然对国外Y染色体权威理论的质疑，不仅指出了不同人群之间的遗传差异，更让曾经专注于群体遗传学的张教授，从此将研究重点转向以CNV为中心的疾病遗传学。张锋教授2007年获复旦大学遗传学博士学位，2007-2009年在美国贝勒医学院从事博士后研究；至今在相关领域的重要研究成果包括罕见CNV联合常见遗传多态共同致病的复合遗传新机理、导致复杂CNV产生的复制叉停滞与模板交换模型等，于2015年获得药明康德生命化学研究奖杰出成就奖，2016年获得国家杰出青年科学基金。
▲张锋教授（右）与其学生合影
男性不孕与基因组变异之间的关联与奥妙
Q：您当初的研究结果得出了怎样的数据？如果这些数据不支持西方论文的观点，那么为什么同样的拷贝数变异会导致不同的发病率呢？
张锋教授：基因组拷贝数变异（CNV）在DNA复制和重组过程中发生，一般指长度为1kb 以上的基因组大片段拷贝数增加或者减少，表现为亚显微水平的缺失和重复。当我发现有论文报道某种特殊CNV会导致男性不育，就觉得不合乎情理，因为中国男性Y染色体中这种CNV发生率高达10%。任何导致不孕不育的严重基因突变，从理论上来说应该是小概率事件，而10%是一个很高的比率。通过与仁济医院人类精子库合作，利用男性不育的病人样本和捐精的健康男子样本开展关联分析研究，我们确认这项西方的研究观点不适用于中国人群。之后日本、南美等地的学者也发表了相关数据，表示不支持这种CNV会导致男性不育。因此我们更加确认西方原始论文数据可能只适用于某些白人样本。
那么问题随之而来，为什么同样的CNV导致疾病的外显率会有所差异？过去有人认为CNV片段越大则可能致病性越强；然而当我们回访一些由严重CNV导致疾病的患者，我们发现一部分病例的的父母一方也是严重CNV的携带者但却没有发病，所以我们认为过去一些关于遗传病的观点存在一定误解。
▲先天性脊柱侧凸（图片来源：childrenhospital.org）
我们首先从先天性脊柱侧凸患者的基因组研究入手，发现7.5%患者基因组16p11.2区域内存在明显CNV，即大片段DNA缺失，并确认DNA缺失区域内TBX6基因为致病基因。而在致病机制探寻中，我们还发现一条染色体TBX6基因的缺失、无义、移码等不同形式的罕见突变本身，并不足以导致先天性脊柱侧凸，CNV还需要联合另一条染色体的常见TBX6亚效等位基因来共同致病。这个亚效等位基因的不同形态称作单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP），SNP指的是基因组单个核苷酸的变异、置换、缺失和插入。这一发现深入揭示了TBX6基因致病的复合遗传机理：即某些遗传疾病为罕见突变与常见变异共同作用的结果，相关的研究成果也发表在《The New England Journal of Medicine》杂志上。我们还会继续深入研究，找到这种复合遗传机理适用于其他遗传疾病的证据。
Q：当代中国出生率有明显下降，而随着全面两孩政策出台，不少夫妇的生育风险问题更加凸显。您通过与不少临床机构的合作研究，觉得在遗传研究层面有哪些重要发现？
张锋教授：某些不孕不育与遗传变异、基因突变之间的关联是毋庸置疑的。比如精子的活动能力与其尾部的健康发育直接相关，不少弱精症患者的精子尾部特别短或者畸形，所以在女性子宫内无法与卵细胞结合。通过与多所医院协作，并利用全外显子组测序、比较基因组杂交芯片等技术，结合高效的基因组数据分析法，我们发现了CFAP43和CFAP44这两个与畸形精子症相关的常染色体基因。相关结果发表在今年6月的《American Journal of Human Genetics》上，我们还会继续寻找其他导致弱精症的基因，为此类患者的诊断、辅助生殖技术的干预、遗传咨询等提供全新思路。
但当代出生率下降，与中国育龄人口生育时间推后和环境因素有关，不能直接说明当代青年男女的生育能力衰退。半个世纪前，多数中国人20岁左右便开始生儿育女；另一方面因为时代局限，不孕不育的家庭通常不会告知他人，也不一定进入官方统计数据。所以将当代人群30-40岁左右的孕育率和半个世纪之前20-30岁人群的孕育率相比较并不科学。
当然因为学习、工作、环境等因素的压力与日俱增，一些青年男女出现了卵巢早衰或弱精症等症状，需要引起研究者的重视。我们的团队正积极与妇产科医院多个科室和团队开展协作，希望针对生殖内分泌疾病、性发育异常等疾病开展探索，寻找更多遗传病的病因和致病机制，为不孕不育症和出生缺陷防控寻找新的诊断手法。
CNV大数据：遗传变异定量分析的里程碑
Q：基因拷贝数变异（CNV）与遗传变异多态性其他标记物之间有哪些联系与差别？CNV和哪些疾病的发生发展有直接关联？
张锋教授：CNV是基因点突变之外的大片段DNA序列变异，包括亚显微结构的微重复和微缺失。人类由古猿进化而来，两个物种在DNA序列水平上较为相似，但从CNV角度来看则二者基因组差异很大。CNV只涉及基因片段拷贝数的量变，与基因倒位（inversion）和平衡易位（balanced translocation）等不改变拷贝数的变异类型一起被称为基因组结构变异。