Spermatogenesis defects concern millions of men worldwide, yet the vast majority remains undiagnosed. Here we report men with primary infertility due to multiple morphological abnormalities of the sperm flagella with severe disorganization of the sperm axoneme, a microtubule-based structure highly conserved throughout evolution. Whole-exome sequencing was performed on 78 patients allowing the identification of 22 men with bi-allelic mutations in DNAH1 (n = 6), CFAP43 (n = 10), and CFAP44 (n = 6). CRISPR/Cas9 created homozygous CFAP43/44 male mice that were infertile and presented severe flagellar defects confirming the human genetic results. Immunoelectron and stimulated-emission-depletion microscopy performed on CFAP43 and CFAP44 orthologs in Trypanosoma brucei evidenced that both proteins are located between the doublet microtubules 5 and 6 and the paraflagellar rod. Overall, we demonstrate that CFAP43 and CFAP44 have a similar structure with a unique axonemal localization and are necessary to produce functional flagella in species ranging from Trypanosoma to human.

Abstract Genetic mutations are a recurrent cause of male infertility. Multiple morphological abnormalities of the flagellum (MMAF) syndrome is a heterogeneous genetic disease, with which more than 50 genes have been linked. Nevertheless, for 50% of patients with this condition, no genetic cause is identified. From a study of a cohort of 167 MMAF patients, pathogenic bi-allelic mutations were identified in the CCDC146 gene in two patients. This gene encodes a poorly characterized centrosomal protein which we studied in detail here. First, protein localization was studied in two cell lines. We confirmed the centrosomal localization in somatic cells and showed that the protein also presents multiple microtubule-related localizations during mitotic division, suggesting that it is a microtubule-associated protein (MAP). To better understand the function of the protein at the sperm level, and the molecular pathogenesis of infertility associated with CCDC146 mutations, two genetically modified mouse models were created: a Ccdc146 knock-out (KO) and a knock-in (KI) expressing a HA-tagged CCDC146 protein. KO male mice were completely infertile, and sperm exhibited a phenotype identical to our two MMAF patient’s phenotype with CCDC146 mutations. No other pathology was observed, and the animals were viable. CCDC146 expression starts during late spermiogenesis, at the time of flagellum biogenesis. In the spermatozoon, the protein is conserved but is not localized to centrioles, unlike in somatic cells, rather it is present in the axoneme at the level of microtubule doublets. Expansion microscopy associated with the use of the detergent sarkosyl to solubilize microtubule doublets, suggest that the protein may be a microtubule inner protein (MIP). At the subcellular level, the absence of CCDC146 affected the formation, localization and morphology of all microtubule-based organelles such as the manchette, the head–tail coupling apparatus (HTCA), and the axoneme. Through this study, we have characterized a new genetic cause of infertility, identified a new factor in the formation and/or structure of the sperm axoneme, and demonstrated that the CCDC146 protein plays several cellular roles, depending on the cell type and the stages in the cell cycle.

ABSTRACT Male infertility is common and complex, presenting a wide range of heterogeneous phenotypes. Although about 50% of cases are estimated to have a genetic component, the underlying cause often remains undetermined. Here, from whole-exome sequencing on samples from 168 infertile men with asthenoteratozoospermia due to severe sperm flagellum, we identified homozygous ZMYND12 variants in four unrelated patients. In sperm cells from these individuals, immunofluorescence revealed altered localization of DNAH1, DNALI1, WDR66 and TTC29. Axonemal localization of ZMYND12 ortholog TbTAX-1 was confirmed using the Trypanosoma brucei model. RNAi knock-down of TbTAX-1 dramatically affected flagellar motility, with a phenotype similar to the sperm from men bearing homozygous ZMYND12 variants. Co-immunoprecipitation and ultrastructure expansion microscopy in T. brucei revealed TbTAX-1 to form a complex with TTC29. Comparative proteomics with samples from Trypanosoma and Ttc29 KO mice identified a third member of this complex: DNAH1. The data presented revealed that ZMYND12 is part of the same axonemal complex as TTC29 and DNAH1, which is critical for flagellum function and assembly in humans, and Trypanosoma. ZMYND12 is thus a new asthenoteratozoospermia-associated gene, bi-allelic variants of which cause severe flagellum malformations and primary male infertility.