精子是雄性个体传递遗传物质、实现种群繁衍的最重要载体。在睾丸曲细精管中，精母细胞经过减数分裂及形态建成产生形态健全、功能完备的精子。然而由于内外因素的影响，精子产生过程极易受到不同程度的影响，产生畸形精子，严重影响生殖健康。在精子发生过程中，SUN(Sad1and UNC84domain containing)家族成员发挥了重要作用。在小鼠中，SUN家族成员包括SUN1至SUN5五个成员，其中SUN1和SUN2在有丝分裂和减数分裂中都通过介导染色体运动来调控细胞分裂进程;SUN3至SUN5属于睾丸组织特异表达，SUN3和SUN4参与精子头部塑形，而关于SUN5的功能一直处于未知和争议之中。　　由于SUN5在睾丸组织中特异表达，我们利用CRISPR/Cas9技术在保守的SUN结构域前设计Cas9作用靶点，成功构建Sun5基因敲除的小鼠。初步检测发现Sun5基因敲除的小鼠生长发育不受影响，但雄性小鼠不育。系统检验发现，SUN5缺失的小鼠精子呈类似圆头状，精子活力减弱。进一步的研究表明，这些类圆头精子实际不含染色质，属于无头精子。对SUN5蛋白进行单精子染色发现，SUN5定位在精子头尾连接处，而且在人、小鼠等多种哺乳动物中高度保守。同时临床研究在大量无头精子症患者中报道了10个SUN5基因的突变，因此动物模型与临床发现均指向SUN5在无头精子症中的关键作用。　　哺乳动物精子中，连接精子头尾的结构被称为头尾连接装置(Head to tail coupling apparatus，HTCA)。经过睾丸组织超微结构观察发现，SUN5缺失后，精子HTCA仍然可以完整的组装，但是其组装完成后不能严密的贴合在精子头部的植入窝处(Implantation fossa)，二者之间出现裂隙，随着精子的延长变形，HTCA和精子头之间的裂隙逐渐加大。最终当精子发育到第12-14步(Step12-14)时，由于SUN5的缺失，HTCA连同精子尾部一起和精子头部完全分离，从而产生不含头部而只含少量胞质的“无头精子”释放到附睾中，进而引起不育。　　作为关键的链接装置的一部分，SUN5很可能和精子尾部或HTCA上某些蛋白相互作用，从而将精子尾部紧密锚定在精子头。通过体外表达的GST-SUN pulldown实验，结合质谱分析、酵母双杂交验证，我们发现SUN5可以通过SUN结构域和精子尾部定位的蛋白DNAJB13(DnaJ homolog subfamily B member13)相互作用。免疫染色发现SUN5和DNAJB13可以共定位在精子头尾连接处。在精细胞变形过程中，DNAJB13在WT精细胞中始终紧密结合在精子头的植入窝处，介导精子头尾的连接，并在成熟精子中迁移至精子尾。而在SUN5缺失的精细胞中，DNAJB13的信号在精子延长过程中逐渐远离精子头，最终在断头的精子中DNAJB13信号保留在精子尾中。这些免疫染色的结果和之前的超微结构观察是一致的，即在精子形态建成过程中SUN5和DNAJB13的动态互作促进了精子头尾紧密连接的形成。　　之前的临床研究一共报道了10个SUN5基因的点突变和一例大片段删除，而在我们新收集的无头精子症病例当中，鉴定到一个新的SUN5突变位点。在这11个点突变中，有4个属于无义突变（Nonsense mutations），产生缺失SUN结构域的截短蛋白;有两例内含子剪切位点的突变，其中一例会导致外显子5被意外剔除;另外五个错义突变位点(Missense mutations)全部位于保守的铰链区(Coiled coil)及SUN结构域，但其致病机制仍然未知。我们证明内含子突变425+1G＞A会导致内含子7的不完全剪切，使mRNA翻译出现移码，导致翻译中止。利用酵母双杂交系统及圆二色技术，我们证明剩余的5个错义突变导致的氨基酸替换，影响了SUN5蛋白的折叠及与DNAJB13的结合，影响其发挥功能。　　最后，我们利用SUN5异常个体中少量的脱落精子头部进行单精子注射（Intracytoplasmic sperm injection，ICSI）以实现卵母细胞受精，该策略在人和小鼠模型中均获得成功。　　综上所述，本研究系统地鉴定了SUN5的表达、定位及动态变化，实现了第一个人无头精子症致病基因的模型构建，并且利用动物模型对SUN5在精子头尾连接处的功能及机制进行深入探究。本研究系统阐明了SUN5-DNAJB13的动态互作在哺乳动物精子形态建成中的关键所用，利用多种手段验证了SUN5突变导致无头精子症的发病机制。最后我们的研究证明，SUN5缺失的脱落精子头可以使卵母细胞受精并产生发育良好的后代。该研究从临床医学和实验科学两方面证明了SUN5的功能及精子完整性的重要意义，加深了人们对于畸形精子症尤其是无头精子症发病机制的认识，从而推动无头精子症的诊断及治疗。