西湖大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(jiàn)卵子的能力，是生命發(fā)生的必要條件。如果精子的運(yùn)動(dòng)能力出現(xiàn)異常，自然受孕的成功率便會(huì)大大降低；當(dāng)精液中精子向前運(yùn)動(dòng)的比例低于32%時(shí)，則被定義為“弱精癥（asthenozoospermia）”。這是目前男性不育的常見(jiàn)病因。北京時(shí)間2023年6月8日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、西湖實(shí)驗(yàn)室吳建平團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)桂淼團(tuán)隊(duì)和南京醫(yī)科大學(xué)劉明兮團(tuán)隊(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”說(shuō)起受精過(guò)程，道阻且長(zhǎng)。

承擔(dān)精子運(yùn)動(dòng)主要?jiǎng)恿Φ谋廾?，是一種細(xì)長(zhǎng)而彎曲、具有運(yùn)動(dòng)功能的細(xì)胞器，存在于精子或者一些單細(xì)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(dòng)衣藻在水中游動(dòng)；精子努力向卵子游動(dòng)，靠的就是精子鞭毛的規(guī)律性擺動(dòng)。

圖2：人的精子（上）和小鼠精子（下）的照片

如果說(shuō)精子是一輛“汽車”，那么鞭毛就是汽車的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，一旦“發(fā)動(dòng)機(jī)”出了故障，“汽車”便無(wú)法啟動(dòng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，鞭毛的結(jié)構(gòu)中很可能蘊(yùn)含著理解精子運(yùn)動(dòng)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(gè)巨大的分子機(jī)器——軸絲。在軸絲的橫切面可以觀察到9個(gè)微管二聯(lián)體環(huán)繞著中央2個(gè)單體微管，即經(jīng)典的“9+2”結(jié)構(gòu)。這個(gè)“9”很重要，它們就像混凝土中的鋼筋一樣，對(duì)鞭毛起到支撐作用。但它的結(jié)構(gòu)卻一直是個(gè)謎。由此，研究團(tuán)隊(duì)把目光聚焦在“微管二聯(lián)體”上。在精子鞭毛的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(wèn)，研究團(tuán)隊(duì)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(dá)49個(gè)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?cè)谛∈缶游⒐芏?lián)體中鑒定到了額外的10種精子特異的MIP蛋白，包括一個(gè)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(gè)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(jìn)一步穩(wěn)定精子鞭毛結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)其劇烈擺動(dòng)的功能。然后對(duì)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(tuán)隊(duì)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(cè)，這些精子中獨(dú)有的MIP蛋白可能會(huì)對(duì)精子鞭毛的穩(wěn)定性和精子運(yùn)動(dòng)調(diào)控發(fā)揮重要的作用。也就是說(shuō)，從結(jié)構(gòu)表明，“MIP蛋白”是影響“發(fā)動(dòng)機(jī)”性能好壞的關(guān)鍵部件。發(fā)現(xiàn)10種MIP蛋白的突變?cè)谀行圆挥倪^(guò)往研究中，對(duì)精子鞭毛因?yàn)椤靶螒B(tài)異常”而導(dǎo)致的弱精癥研究相對(duì)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(zhǎng)得不一樣”。但在這一類弱精癥患者的基因篩查中，并沒(méi)有檢測(cè)到MIP蛋白有異常。這與研究團(tuán)隊(duì)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(duì)精子活動(dòng)造成影響，問(wèn)題究竟在哪里？如果這類弱精癥患者中沒(méi)有找到MIP蛋白突變，那是不是從一開(kāi)始就搞錯(cuò)了“對(duì)象”？MIP蛋白突變可能會(huì)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(guò)程中不斷前進(jìn)。研究團(tuán)隊(duì)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(lái)與正常人沒(méi)有區(qū)別，但是精子的運(yùn)動(dòng)功能異常，無(wú)法完成正常受精。通過(guò)對(duì)這些患者進(jìn)行外顯子測(cè)序分析，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些突變位點(diǎn)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(jìn)而引起精子功能異常。由此，研究團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)稱MIVA）”。這類弱精癥患者的精子共同特征是精子運(yùn)動(dòng)能力受損，鞭毛擺動(dòng)異常，軸絲結(jié)構(gòu)受損，但形態(tài)無(wú)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(cè)入手，找到相關(guān)突變蛋白，解析結(jié)構(gòu)了解其功能機(jī)制，這是十分經(jīng)典的‘自下而上’的研究路徑。但是有時(shí)候，這樣的研究思路無(wú)法系統(tǒng)性、全局的理解研究對(duì)象?！眳墙ㄆ秸f(shuō)。這一次，他們“自上而下”，先從相對(duì)宏觀的分子機(jī)器結(jié)構(gòu)入手，一步步縮小包圍圈，再?gòu)闹姓业郊膊∠嚓P(guān)突變蛋白，并最終驗(yàn)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(duì)于蛋白參與生理活動(dòng)的過(guò)程一目了然，而且?guī)椭麄儷@得多維度的信息，更快、更精準(zhǔn)地實(shí)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(kāi)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(jí)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(shí)驗(yàn)室特聘研究員吳建平、浙江大學(xué)良渚實(shí)驗(yàn)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tái)、高性能計(jì)算平臺(tái)、質(zhì)譜平臺(tái)和動(dòng)物中心的大力支持。