文章信息
文章題目：Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility
期刊：Cell
發(fā)表時間：2023年6月8日
主要內容：西湖大學生命科學學院、西湖實驗室吳建平團隊與浙江大學桂淼團隊聯(lián)合南京醫(yī)科大學劉明兮團隊，在Cell雜志上發(fā)表了文章 Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility，該研究首次解析了小鼠和人的精子鞭毛微管二聯(lián)體復合物的冷凍電鏡結構，鑒定了多個精子特異的微管結合蛋白，并由此發(fā)現(xiàn)了一類新型的弱精癥亞型。該工作為理解精子運動的結構基礎以及相關男性不育癥的診斷和治療提供了重要線索。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.009
使用TransGen產品：
ProteinIso? Ni-NTA Resin (DP101)
研究背景
精子“翻山越嶺”遇見卵子的能力，是生命發(fā)生的必要條件。如果精子的運動能力出現(xiàn)異常，自然受孕的成功率便會大大降低；當精液中精子向前運動的比例低于32%時，則被定義為“弱精癥（asthenozoospermia）”。這是目前男性不育的常見病因。承擔精子運動主要動力的鞭毛，是一種細長而彎曲、具有運動功能的細胞器，存在于精子或者一些單細胞生物上。比如氣管纖毛可以幫助人體排出氣管內的廢物；衣藻鞭毛可以帶動衣藻在水中游動；精子努力向卵子游動，靠的就是精子鞭毛的規(guī)律性擺動。如果說精子是一輛“汽車”，那么鞭毛就是汽車的“發(fā)動機”，一旦“發(fā)動機”出了故障，“汽車”便無法啟動。可以預見，鞭毛的結構中很可能蘊含著理解精子運動的重要線索。
精子結構示意圖及其軸絲橫截面示意圖
從上圖我們可以看到，鞭毛通常被分為頸部、中段、主段和末段，其主體的中央貫穿著一個巨大的分子機器——軸絲。在軸絲的橫切面可以觀察到9個微管二聯(lián)體環(huán)繞著中央2個單體微管，即經典的“9+2”結構。這個“9”很重要，它們就像混凝土中的鋼筋一樣，對鞭毛起到支撐作用。但它的結構卻一直是個謎。
文章概述
首先，研究人員解析了小鼠和人類精子的微管二聯(lián)體結構，在分辨率更高的小鼠精子微管二聯(lián)體中共鑒定了多達49個不同的蛋白組分。
小鼠精子微管二聯(lián)體高分辨率結構
他們發(fā)現(xiàn)，與已有的牛的氣管纖毛微管二聯(lián)體結構比較，除了一種FAM166B蛋白，其他在牛的氣管纖毛微管二聯(lián)體中的微管腔內結合蛋白（Microtubule inner protein, MIP）均存在于小鼠精子鞭毛中。不同的是，他們在小鼠精子微管二聯(lián)體中鑒定到了額外的10種精子特異的MIP蛋白，包括一個去磷酸化酶DUSP21。在小鼠精子微管二聯(lián)體的外部區(qū)域，還發(fā)現(xiàn)了一個蛋白激酶TSSK6的結合。這表明小鼠精子鞭毛微管二聯(lián)體相比其他鞭毛系統(tǒng)的微管二聯(lián)體組成更加復雜，有助于進一步穩(wěn)定精子鞭毛結構，來適應其劇烈擺動的功能。
然后對比人類精子鞭毛微管二聯(lián)體與小鼠精子微管二聯(lián)體，前者體內也擁有大部分MIP蛋白，包括新鑒定的多種精子特異MIP蛋白，二者之間的差別僅僅是人類精子內缺少了一種DUSP21蛋白，以及小鼠精子特異的MIP蛋白Tektin5和FAM166A的拷貝數在人精子微管二聯(lián)體中有所減少。至此，研究團隊已經比較清楚地看到了精子微管二聯(lián)體在不同物種之間的差異性，他們大膽預測，這些精子中獨有的MIP蛋白可能會對精子鞭毛的穩(wěn)定性和精子運動調控發(fā)揮重要作用。
小鼠與人精子微管二聯(lián)體結構比較
隨后，研究團隊募集了281位非MMAF的男性不育患者，這些患者的精子形態(tài)看起來與正常人一樣，但是精子的運動功能異常，無法完成正常受精。通過對這些患者進行外顯子測序分析，研究團隊果然發(fā)現(xiàn)其中32位患者攜帶了與MIP蛋白相關的突變，這些病例涵蓋了10種MIP蛋白，共涉及到17種突變形式，其中8種MIP蛋白是首次發(fā)現(xiàn)與男性不育癥有關。
臨床鑒定MIP突變的流程圖和32位MIP相關的弱精癥患者概覽
進一步分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)這些突變位點在精子微管二聯(lián)體中的分布較為分散，這表明微管二聯(lián)體內不同區(qū)域的異常都可能導致自身結構破壞，進而引起精子功能異常。由此，研究團隊提出了一類新型弱精癥亞型，稱為“MIP突變相關弱精癥（MIP variants-associated asthenozoospermia，簡稱MIVA）”。這類弱精癥患者的精子共同特征是精子運動能力受損，鞭毛擺動異常，軸絲結構受損，但形態(tài)無明顯的缺陷。
綜上，這一研究結果為我們理解不同物種和組織中微管二聯(lián)體的特異性以及深入研究和理解精子鞭毛的功能和調控奠定了重要基礎，為相關的男性不育癥的診斷提供了新的思路，并為潛在的治療干預提供了新的途徑。
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使用ProteinIso? Ni-NTA Resin (DP101)產品發(fā)表的部分文章：
? Zhou L N, Liu H B, Liu S Y, et al. Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility [J].Cell, 2023.
? Guo L J, Zhao Y L, Zhang Q, et al. Stochastically multimerized ParB orchestrates DNA assembly as unveiled by single-molecule analysis [J]. Nucleic Acids Research, 2022.
? Liu Y, Yu T F, Li Y T, et al. Mitogen-activated protein kinase TaMPK3 suppresses ABA response by destabilizing TaPYL4 receptor in wheat [J]. New Phytologist, 2022.
? Zhang Q, Chen Z T, Wang F Z, et al. Efficient DNA interrogation of SpCas9 governed by its electrostatic interaction with DNA beyond the PAM and protospacer [J]. Nucleic Acids Research, 2021.
? Zhang Y, Guo Y H, Wang H L, et al. Verticillium dahliae Secretory Effector PevD1 Induces Leaf Senescence by Promoting ORE1-Mediated Ethylene Biosynthesis [J]. Molecular Plant, 2021.
? Gao Y H, Li Z, Yang C Y, et al. Pseudomonas syringae activates ZAT18 to inhibit salicylic acid accumulation by repressing EDS1 transcription for bacterial infection [J]. New phytologist, 2021.
? Wang Z L, Wang S, Xu Z, et al. Highly Promiscuous Flavonoid 3?O?Glycosyltransferase from Scutellaria baicalensis [J]. Organic Letters, 2019.
? Chen K ,Hu Z M, Song W, et al. Diversity of O?Glycosyltransferases Contributes to the Biosynthesis of Flavonoid and Triterpenoid Glycosides in Glycyrrhiza uralensis [J]. ACS Synthetic Biology, 2019.
