生命起源于一颗受精卵。精子「翻山越岭」遇见卵子的能力是生命发生的必要条件，如果精子的运动能力出现异常，自然受孕的成功率便会大大降低。当精液中精子向前运动的比例低于 32% 时，则被定义为「弱精症」（asthenozoospermia）。
弱精症是目前男性不育的常见病因。目前不孕不育症已成为全球范围内日益严峻的公共卫生问题。据世界卫生组织（WHO）于 2023 年 4 月发布的最新报告，多达 17.5% 的成年人受到不孕不育症的困扰。对不孕不育症的相关研究不仅是生殖医学领域最基础的工作，也是当今世界最具有挑战性和亟待解决的问题之一。
北京时间 2023 年 6 月 8 日，西湖大学生命科学学院、西湖实验室吴建平团队联合浙江大学桂淼团队和南京医科大学刘明兮团队合作在《细胞》（Cell）发表研究论文，在弱精症的机制研究中取得了重要进展。研究团队通过解析小鼠和人的精子鞭毛结构，鉴定了多个精子特异性的关键蛋白，以及蛋白上与弱精症相关的突变。由此，该工作定义了一类新型的弱精症亚型，为理解精子运动的结构基础以及相关男性不育症的诊断和治疗提供了重要线索。
在生命的起点，精子通过长长的尾部（也就是鞭毛）的规律性摆动向前游动，经过一段漫长艰辛的旅途最终与卵子结合。而精子运动的结构基础，是贯穿整个精子尾部的巨大分子机器——轴丝（axoneme）。
当我们观察轴丝的横切面，会发现轴丝是由 9 个微管二联体（doublet microtubule, DMT）环绕着中央的 2 个单体微管（singlet microtubule）所组成的，即经典的「9+2」结构。
DMT 中含有多种微管腔内结合蛋白（Microtubule inner protein, MIP），这些蛋白对 DMT 的稳定性至关重要。先前对衣藻鞭毛和哺乳动物气管纤毛的冷冻电镜分析表明，在不同系统的 DMT 中，MIP 组成和相互作用方式存在差异。那么同样在哺乳动物的不同细胞中，MIP 又是否存在差异呢？
研究团队首先解析了小鼠精子的 DMT 结构，共发现 49 种蛋白，包括 45 种与 DMT 相关的 MIP。与已报道的牛气管纤毛的 DMT 结构的对比结果显示，除了 FAM166B，其他在牛气管纤毛 DMT 中的 MIP 均存在于精子鞭毛中；另一方面，小鼠精子 DMT 还拥有多种不存在于牛气管纤毛 DMT 中的特异性蛋白。
研究团队在小鼠精子 DMT 中鉴定出额外的 10 种精子特异性 MIP，这些特有的蛋白很可能正是精子鞭毛能够剧烈摆动的关键组成特征。例如，这 10 种 MIP 包含了多态性 Tektin5 网络，而 tektin 家族是一类对鞭毛的结构十分重要的蛋白；以及一个去磷酸化酶 DUSP21，它和外周区域的蛋白激酶 TSSK6 可能通过影响 DMT 相关蛋白的磷酸化作用，来调控精子的运动……
这些结构发现表明，精子鞭毛 DMT 相比其他鞭毛系统的 DMT 具有更加复杂的组成，精子特异的微管结合蛋白可能对精子鞭毛的稳定性和精子运动调控发挥重要的作用。
接下来，为了进一步研究精子 DMT 在不同物种间的差异，研究团队又解析了人精子的 DMT 结构。相比于小鼠精子 DMT，人精子 DMT 保留了大部分 MIP，包括新鉴定的多种精子特异性 MIP，但是缺少了 DUSP21。此外，精子特异 MIP 蛋白 Tektin5 和 FAM166A 的拷贝数在人精子 DMT 中也有所减少。这些差异揭示了精子 DMT 的物种间的差异性，有助于帮助理解精子 DMT 的进化特征。
由于精子鞭毛 DMT 对于精子运动至关重要，因此对人精子 DMT 的解析可以为理解男性不育症提供重要的结构基础。研究团队进一步探究了 DMT 中的 MIP 突变与精子运动功能障碍以及男性不育症的关联。
研究团队首先关注的是精子鞭毛多重形态异常导致的弱精症（multiple morphological abnormalities of the sperm flagella，MMAF），这也是此前研究相对广泛的弱精症类型。但对 MMAF 相关基因的筛查却没有检测到任何精子 MIP 的突变。因此研究团队猜测，或许与 MIP 突变相关的不是 MMAF，而是某种其他类型的弱精症。
为了验证这一猜想，研究团队募集了 281 位非 MMAF 的弱精症患者。他们的精子形态与正常人相当，但是精子的运动功能异常，无法完成正常受精。
测序结果显示，其中 32 位患者携带与精子 MIP 相关的突变，代表了最为显著的一类变异类别。这些病例涵盖了 10 种 MIP，共涉及 17 种突变形式，其中 8 种 MIP 为首次报道与男性不育症关联。结合结构分析，研究团队发现这些突变位点在精子 DMT 中的分布较为分散，表明不同区域的 DMT 异常都可能导致 DMT 结构破坏，进而引起精子功能异常。
基于这些发现，研究团队提出了一类新型弱精症亚型，称为「MIP 突变相关弱精症」（MIP variants-associated asthenozoospermia，简称 MIVA）。MIVA 患者的精子共同特征是精子运动能力受损，鞭毛摆动异常，轴丝结构受损，但形态无明显的缺陷。
综上所述，该研究揭示了人和小鼠精子 DMT 的精细结构，并鉴定了 10 个精子特异 MIP 蛋白。这一研究为我们理解不同物种和组织中 DMT 的特异性以及深入研究和理解精子鞭毛的功能和调控奠定了重要基础。通过基于结构研究建立的精子 MIP 蛋白组分库，研究团队成功将 MIP 突变与一类名为 MIVA 的新型弱精症亚型相关联。这为相关的男性不育症的诊断提供了新的思路，并为潜在的治疗干预提供了新的途径。
西湖大学 2020 级博士研究生周伦妮、刘浩滨和南京医科大学博士研究生刘思钰为本文共同第一作者。西湖大学/西湖实验室特聘研究员吴建平、浙江大学良渚实验室/附属邵逸夫医院研究员桂淼和南京医科大学生殖医学与子代健康全国重点实验室教授刘明兮为本文共同通讯作者。南京医科大学第一附属医院/江苏省人民医院杨晓玉主任，福建省妇幼保健院生殖医学中心郑备红主任、孙艳主任和黄鹏宇在精子样品收集方面提供了大力帮助。此外，西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算平台、质谱平台和动物中心为课题的顺利开展提供了大力支持。
【通讯作者简介】
吴建平研究员 2017 年于清华大学取得博士学位，后赴普林斯顿大学从事博士后研究，2019 年加入西湖大学，组建生物结构实验室。吴建平实验室主要利用结构生物学方法研究生殖医学领域重大科学问题。2021 年吴建平团队曾在 Nature 报道精子活化过程关键通道 CatSper 的高分辨率结构，获得生殖医学和离子通道领域的广泛关注。吴建平团队工作获得了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室的经费支持。团队诚邀对生殖医学或结构生物学感兴趣的有志青年加盟，欢迎联系 wujianping@westlake.edu.cn。
桂淼博士于 2022 年 12 月从哈佛医学院回国，加入浙江大学良渚实验室/附属邵逸夫医院建立独立研究团队，任研究员和博士生导师。现诚邀博士后等青年人才加入，专业背景不限！详情可参考浙大个人主页：https://person.zju.edu.cn/miaogui。
刘明兮教授，生殖医学与子代健康全国重点实验室 PI。长期从事男性不育相关基因功能研究，主要应用基因敲除动物模型和蛋白质组学技术解析男性不育的病因及致病机制。近年来系统性解析精子鞭毛 RS 复合体和 N-DRC 组分和功能，并解析了一系列导致弱精子症的遗传变异。课题组长期关注男性不育的致病机制，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
转自：“丁香学术”微信公众号
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