Abstract Study question Which genes are confidently linked to human male infertility? Summary answer Our systematic literature search and clinical validity assessment reveals that a total of 67 genes are currently confidently linked to 81 human male infertility phenotypes. What is known already The discovery of novel male infertility genes is rapidly accelerating with the availability of Next-Generation Sequencing methods, but the quality of evidence for gene-disease relationships varies greatly. In order to improve genetic research, diagnostics and counseling, there is a need for an evidence-based overview of the currently known genes. Study design, size, duration We performed a systematic literature search and evidence assessment for all publications in Pubmed until June 2018 covering genetic causes of male infertility and/or defective male genitourinary development. Participants/materials, setting, methods Two independent reviewers conducted the literature search and included papers on the monogenic causes of human male infertility and excluded papers on genetic association or risk factors, karyotype anomalies and/or copy number variations affecting multiple genes. Next, the quality and the extent of all evidence supporting selected genes was weighed by a standardized scoring method and used to determine the clinical validity of each gene-disease relationship as expressed by the following six categories: no evidence, limited, moderate, strong, definitive or unable to classify. Main results and the role of chance From a total of 23,031 records, we included 1,286 publications about monogenic causes of male infertility leading to a list of 471 gene-disease relationships. The clinical validity of these gene-disease relationships varied widely and ranged from definitive (n=36) to strong (n=12), moderate (n=33), limited (n=86) or no evidence (n=154). A total of 150 gene-disease relationships could not be classified. Limitations, reasons for caution Our literature search was limited to Pubmed. Wider implications of the findings The comprehensive overview will aid researchers and clinicians in the field to establish gene lists for diagnostic screening using validated gene-disease criteria and identify gaps in our knowledge of male infertility. For future studies, the authors discuss the relevant and important international guidelines regarding research related to gene discovery and provide specific recommendations to the field of male infertility. Study funding/competing interest(s) This work was supported by a VICI grant from The Netherlands Organisation for Scientific Research (918-15-667 to JAV).

Abstract Background Current guidelines indicate that patients with extreme oligozoospermia or azoospermia should be tested for chromosomal imbalances, azoospermia factor (AZF) deletions and/or CFTR variants. For other sperm abnormalities, no genetic diagnostics are recommended. Objectives To determine whether exome sequencing (ES) with combined copy number variant (CNV) and single nucleotide variant (SNV) analysis is a reliable first‐tier method to replace current methods (validation study), and to evaluate the diagnostic yield after 10 months of implementation (evaluation study). Materials and Methods In the validation study, ES was performed on DNA of patients already diagnosed with AZF deletions ( n = 17), (non‐)mosaic sex chromosomal aneuploidies or structural chromosomal anomalies ( n = 37), CFTR variants ( n = 26), or variants in known infertility genes ( n = 4), and 90 controls. The data were analyzed using our standard diagnostic pipeline, with a bioinformatic filter for 130 male infertility genes. In the evaluation study, results of 292 clinical exomes were included. Results All previously reported variants in the validation cohort, including clinically relevant Y‐chromosomal microdeletions, were correctly identified and reliably detected. In the evaluation study, we identified one or more clinically relevant genetic anomalies in 67 of 292 of all cases (22.9%): these included aberrations that could have been detected with current methods in 30 of 67 patients (10.2% of total), (possible) (mono)genetic causes in the male infertility gene panel in 28 of 67 patients (9.6%), and carriership of cystic fibrosis in nine of 67 patients (3.1%). Conclusion ES is a reliable first‐tier method to detect the most common genetic causes of male infertility and, as additional genetic causes can be detected, in our evaluation cohort the diagnostic yield almost doubled (10.2%–19.8%, excluding CF carriers). A genetic diagnosis provides answers on the cause of infertility and helps the professionals in the counseling for treatment, possible co‐morbidities and risk for offspring and/or family members. Karyotyping will still remain necessary for detecting balanced translocations or low‐grade chromosomal mosaicism.

Male infertility affects ~7% of men in Western societies, but its causes remain poorly understood. The most clinically severe form of male infertility is non-obstructive azoospermia (NOA), which is, in part, caused by an arrest at meiosis, but so far only few genes have been reported to cause germ cell arrest in males. To address this gap, whole exome sequencing was performed in 60 German men with bilateral complete meiotic arrest, and we identified in three unrelated men the same homozygous frameshift variant c.676dup (p.Trp226LeufsTer4) in M1AP, encoding meiosis 1 arresting protein. Then, with collaborators from the International Male Infertility Genomics Consortium (IMIGC), we screened a Dutch cohort comprising 99 infertile men and detected the same homozygous variant c.676dup in a man with hypospermatogenesis predominantly displaying meiotic arrest. We also identified two Portuguese men with NOA carrying likely biallelic loss-of-function (LoF) and missense variants in M1AP among men screened by the Genetics of Male Infertility Initiative (GEMINI). Moreover, we discovered a homozygous missense variant p.(Pro389Leu) in M1AP in a consanguineous Turkish family comprising five infertile men. M1AP is predominantly expressed in human and mouse spermatogonia up to secondary spermatocytes and previous studies have shown that knockout male mice are infertile due to meiotic arrest. Collectively, these findings demonstrate that both LoF and missense M1AP variants that impair its protein cause autosomal-recessive meiotic arrest, non-obstructive azoospermia and male infertility. In view of the evidence from several independent groups and populations, M1AP should be included in the growing list of validated NOA genes.

Abstract De novo mutations (DNMs) play an important role in severe genetic disorders that reduce fitness. To better understand the role of DNMs in disease, it is important to determine the parent-of-origin and timing of the mutational events that give rise to the mutations, especially in sex-specific developmental disorders such as male infertility. However, currently available short-read sequencing approaches are not ideally suited for phasing as this requires long continuous DNA strands that span both the DNM and one or more informative SNPs. To overcome these challenges, we optimised and implemented a multiplexed long-read sequencing approach using the Oxford Nanopore technologies MinION platform. We specifically focused on improving target amplification, integrating long-read sequenced data with high-quality short-read sequence data, and developing an anchored phasing computational method. This approach was able to handle the inherent phasing challenges that arise from long-range target amplification and the normal accumulation of sequencing error associated with long-read sequencing. In total, 77 out of 109 DNMs (71%) were successfully phased and parent-of-origin identified. The majority of phased DNMs were prezygotic (90%), the accuracy of which is highlighted by the average mutant allele frequency of 49.6% and a standard error margin of 0.84%. This study demonstrates the benefits of using an integrated short-read and long-read sequencing approach for large-scale DNM phasing.

Abstract Mutations affecting the germline can result in infertility or the generation of germ cell tumors (GCT), highlighting the need to identify and characterize the genes controlling the complex molecular network orchestrating germ cell development. TRIM71 is a stem cell-specific factor essential for embryogenesis, and its expression has been reported in GCT and adult mouse testes. To investigate the role of TRIM71 in mammalian germ cell embryonic development, we generated a germline-specific conditional Trim71 knockout mouse (cKO) using the early primordial germ cell (PGC) marker Nanos3 as a Cre-recombinase driver. cKO mice are infertile, with male mice displaying a Sertoli cell-only (SCO) phenotype, which in humans is defined as a specific subtype of non-obstructive azoospermia characterized by the absence of developing germ cells in the testes’ seminiferous tubules. Infertility originates during embryogenesis, as the SCO phenotype was already apparent in neonatal mice. The in vitro differentiation of mouse embryonic stem cells (ESCs) into PGC-like cells (PGCLCs) revealed reduced numbers of PGCLCs in Trim71 -deficient cells. Furthermore, in vitro growth competition assays with wild type and CRISPR/Cas9-generated TRIM71 mutant NCCIT cells, a human GCT-derived cell line which we used as a surrogate model for proliferating PGCs, showed that TRIM71 promotes NCCIT cell proliferation and survival. Our data collectively suggest that germ cell loss in cKO mice results from combined defects during the specification and maintenance of PGCs prior to their sex determination in the genital ridges. Last, via exome sequencing analysis, we identified several TRIM71 variants in a cohort of infertile men, including a loss-of-function variant in a patient with SCO phenotype. Our work reveals for the first time an association of TRIM71 variants with human male infertility, and uncovers further developmental roles for TRIM71 in the generation and maintenance of germ cells during mouse embryogenesis.

Introduction De novo mutations (DNMs) are known to play a prominent role in sporadic disorders with reduced fitness 1 . We hypothesize that DNMs play an important role in male infertility and explain a significant fraction of the genetic causes of this understudied disorder. To test this hypothesis, we performed trio-based exome-sequencing in a unique cohort of 185 infertile males and their unaffected parents. Following a systematic analysis, 29 of 145 rare protein altering DNMs were classified as possibly causative of the male infertility phenotype. We observed a significant enrichment of Loss-of-Function (LoF) DNMs in LoF-intolerant genes (p-value=1.00×10-5) as well as predicted pathogenic missense DNMs in missense-intolerant genes (p-value=5.01×10-4). One DNM gene identified, RBM5, is an essential regulator of male germ cell pre-mRNA splicing 2 . In a follow-up study, 5 rare pathogenic missense mutations affecting this gene were observed in a cohort of 2,279 infertile patients, with no such mutations found in a cohort of 5,784 fertile men (p-value=0.009). Our results provide the first evidence for the role of DNMs in severe male infertility and point to many new candidate genes affecting fertility.