Pathogenic gene variants in CCDC39, CCDC40, RSPH1, RSPH9, HYDIN, and SPEF2 cause defects of sperm flagella composition and male infertility

Primary Ciliary Dyskinesia (PCD) is a rare genetic disorder affecting the function of motile cilia in several organ systems. In PCD, male infertility is caused by defective sperm flagella composition or deficient motile cilia function in the efferent ducts of the male reproductive system. Different PCD-associated genes encoding axonemal components involved in the regulation of ciliary and flagellar beating are also reported to cause infertility due to multiple morphological abnormalities of the sperm flagella (MMAF). Here, we performed genetic testing by next generation sequencing techniques, PCD diagnostics including immunofluorescence-, transmission electron-, and high-speed video microscopy on sperm flagella and andrological work up including semen analyses. We identified ten infertile male individuals with pathogenic variants in CCDC39 (one) and CCDC40 (two) encoding ruler proteins, RSPH1 (two) and RSPH9 (one) encoding radial spoke head proteins, and HYDIN (two) and SPEF2 (two) encoding CP-associated proteins, respectively. We demonstrate for the first time that pathogenic variants in RSPH1 and RSPH9 cause male infertility due to sperm cell dysmotility and abnormal flagellar RSPH1 and RSPH9 composition. We also provide novel evidence for MMAF in HYDIN- and RSPH1-mutant individuals. We show absence or severe reduction of CCDC39 and SPEF2 in sperm flagella of CCDC39- and CCDC40-mutant individuals and HYDIN- and SPEF2-mutant individuals, respectively. Thereby, we reveal interactions between CCDC39 and CCDC40 as well as HYDIN and SPEF2 in sperm flagella. Our findings demonstrate that immunofluorescence microscopy in sperm cells is a valuable tool to identify flagellar defects related to the axonemal ruler, radial spoke head and the central pair apparatus, thus aiding the diagnosis of male infertility. This is of particular importance to classify the pathogenicity of genetic defects, especially in cases of missense variants of unknown significance, or to interpret HYDIN variants that are confounded by the presence of the almost identical pseudogene HYDIN2.

[Management of Primary Ciliary Dyskinesia]

Die Primäre Ciliäre Dyskinesie (PCD, MIM 242650) ist eine seltene hereditäre Multisystemerkrankung mit klinisch heterogenem Phänotyp. Leitsymptom ist eine chronische Sekretretention der oberen und unteren Atemwege, welche durch die Dysfunktion motiler respiratorischer Zilien entsteht. In der Folge kommt es zur Ausbildung von Bronchiektasen, häufig zu einer Infektion durch Pseudomonas aeruginosa sowie einer abnehmenden Lungenfunktion bis hin zum Lungenversagen.

Bislang gibt es kaum evidenzbasierte Therapieempfehlungen, da randomisierte Langzeitstudien zur Behandlung der PCD fehlten. In diesem Jahr wurden die Daten einer ersten placebokontrollierten Medikamentenstudie bei PCD veröffentlicht. Anlässlich dieses Meilensteins im Management der PCD wurde der vorliegende Übersichtsartikel als Konsens von Patientenvertretern sowie Klinikern, die langjährige Erfahrung in der Behandlung der PCD haben, verfasst. Diese Arbeit bietet eine Zusammenfassung aktuell eingesetzter Behandlungsverfahren, die überwiegend auf persönlichen Erfahrungen und Expertenmeinungen beruhen oder von anderen Atemwegserkrankungen wie der Cystischen Fibrose (CF), COPD oder Bronchiektasen-Erkrankung abgeleitet werden. Da es derzeit keine kurative Therapie für PCD gibt, stehen symptomatische Maßnahmen wie die regelmäßige Reinigung der Atemwege und die Behandlung von rezidivierenden Atemwegsinfektionen im Fokus. Nicht respiratorische Manifestationen werden organspezifisch behandelt. Um neben der ersten Medikamentenstudie mehr evidenzbasiertes Wissen zu generieren, werden weitere Projekte etabliert, u. a. ein internationales PCD-Register. Hierüber wird Patienten der Zugang zu klinischen und wissenschaftlichen Studien erleichtert und die Vernetzung behandelnder Zentren gefördert. Des Weiteren können Erkenntnisse über eine Genotyp-spezifische Erkrankungsschwere erlangt werden, um folglich die therapeutische Versorgung der Patienten zu verbessern und somit zu individualisieren.