西湖大學(xué)團隊Cell發(fā)文，治療男性不育癥有新思路

生命起源于一顆受精卵。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。北京時間2023年6月8日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、西湖實驗室吳建平團隊與浙江大學(xué)桂淼團隊和南京醫(yī)科大學(xué)劉明兮團隊合作，在Cell在線發(fā)表題為“Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility”的文章（圖1），首次解析了小鼠和人的精子鞭毛微管二聯(lián)體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，鑒定了多個精子特異的微管結(jié)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及相關(guān)男性不育癥的診斷和治療提供了重要線索。圖1：文章截圖

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.009

從精子運動的“發(fā)動機”說起受精過程，道阻且長。

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(nèi)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。

圖2：人的精子（上）和小鼠精子（下）的照片

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?？梢灶A(yù)見，鞭毛的結(jié)構(gòu)中很可能蘊含著理解精子運動的重要線索。

圖3：精子結(jié)構(gòu)示意圖及其軸絲橫截面示意圖

從上圖（圖3）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(jīng)典的“9+2”結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)卻一直是個謎。由此，研究團隊把目光聚焦在“微管二聯(lián)體”上。在精子鞭毛的運動中，它扮演著什么樣的角色？是否存在一些特異的組成和結(jié)構(gòu)特征，決定或影響了鞭毛的運動能力？在小鼠和人類精子鞭毛中尋找蛛絲馬跡結(jié)構(gòu)決定功能。為了解答上述疑問，研究團隊分別解析了小鼠（圖4）和人類精子的微管二聯(lián)體結(jié)構(gòu)，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。

圖4：小鼠精子微管二聯(lián)體高分辨率結(jié)構(gòu)

他們發(fā)現(xiàn)，與已有的牛的氣管纖毛微管二聯(lián)體結(jié)構(gòu)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(nèi)結(jié)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(jié)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(fù)雜，可能幫助進一步穩(wěn)定精子鞭毛結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)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（圖5），前者體內(nèi)也擁有大部分MIP蛋白，包括新鑒定的多種精子特異MIP蛋白，兩者的差別僅僅是人類精子內(nèi)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(shù)在人精子微管二聯(lián)體中有所減少。

圖5：小鼠與人精子微管二聯(lián)體結(jié)構(gòu)比較

至此，研究團隊已經(jīng)較為清晰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(yù)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(diào)控發(fā)揮重要的作用。也就是說，從結(jié)構(gòu)表明，“MIP蛋白”是影響“發(fā)動機”性能好壞的關(guān)鍵部件。發(fā)現(xiàn)10種MIP蛋白的突變在男性不育的過往研究中，對精子鞭毛因為“形態(tài)異?！倍鴮?dǎo)致的弱精癥研究相對較多（multiple morphological abnormalities of the sperm flagella，MMAF），MMAF患者的精子鞭毛在外觀上就與正常精子鞭毛“長得不一樣”。但在這一類弱精癥患者的基因篩查中，并沒有檢測到MIP蛋白有異常。這與研究團隊的判斷似乎并不相符。但微管二聯(lián)體在精子鞭毛結(jié)構(gòu)中的重要作用毋庸置疑，MIP蛋白發(fā)生突變不可能不對精子活動造成影響，問題究竟在哪里？如果這類弱精癥患者中沒有找到MIP蛋白突變，那是不是從一開始就搞錯了“對象”？MIP蛋白突變可能會導(dǎo)致另一種已經(jīng)存在卻還未被發(fā)現(xiàn)的弱精癥？大膽假設(shè)、小心求證，科學(xué)研究就是在一次次的猜想-論證-再論證的過程中不斷前進。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)看起來與正常人沒有區(qū)別，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(guān)的突變，這些病例涵蓋了10種MIP蛋白（圖6），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(guān)。

圖6：臨床鑒定MIP突變的流程圖和32位MIP相關(guān)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(nèi)不同區(qū)域的異常都可能導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)受損，但形態(tài)無明顯的缺陷。這一研究結(jié)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(diào)控奠定了重要基礎(chǔ)，為相關(guān)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(yù)提供了新的途徑?！澳嫦蚨小钡奶剿髦贰皬募膊〉幕驒z測入手，找到相關(guān)突變蛋白，解析結(jié)構(gòu)了解其功能機制，這是十分經(jīng)典的‘自下而上’的研究路徑。但是有時候，這樣的研究思路無法系統(tǒng)性、全局的理解研究對象?！眳墙ㄆ秸f。這一次，他們“自上而下”，先從相對宏觀的分子機器結(jié)構(gòu)入手，一步步縮小包圍圈，再從中找到疾病相關(guān)突變蛋白，并最終驗證了突變蛋白與疾病的關(guān)聯(lián)性。這樣不僅看清了特定蛋白與其他蛋白的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)，對于蛋白參與生理活動的過程一目了然，而且?guī)椭麄儷@得多維度的信息，更快、更精準地實現(xiàn)突破。逆向而行、大膽創(chuàng)新，或許這正是這位90后科學(xué)家在繼2021年解密精子活化開關(guān)CatSper通道體后，在精子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域再次取得突破的關(guān)鍵因素之一！西湖大學(xué)2020級博士研究生周倫妮、劉浩濱和南京醫(yī)科大學(xué)博士研究生劉思鈺為本文共同第一作者。西湖大學(xué)/西湖實驗室特聘研究員吳建平、浙江大學(xué)良渚實驗室/附屬邵逸夫醫(yī)院研究員桂淼和南京醫(yī)科大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)與子代健康全國重點實驗室教授劉明兮為本文共同通訊作者。該研究得到西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺、高性能計算平臺、質(zhì)譜平臺和動物中心的大力支持。