6月8日，生殖医学与子代健康全国重点实验室刘明兮团队与浙江大学桂淼团队和西湖大学吴建平团队合作在顶级学术期刊《细胞》（Cell）发表题为《精子鞭毛微管二联体复合物的结构解析扩展了男性不育的遗传谱》（Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility）的研究论文。文章报道了小鼠和人的精子鞭毛微管二联体复合物（doublet microtubule, DMT）的冷冻电镜结构，并鉴定了多个精子特异的微管结合蛋白。结合临床数据研究人员发现在10个微管结合蛋白上的突变与男性弱精症有关，并由此定义了一类新型的弱精症亚型。该工作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。
我国的不孕不育率高达18%，困扰着数以百万计的家庭。精子的数量和质量异常是导致不孕不育的重要因素，其中精子运动障碍被定义为“弱精症（asthenozoospermia）”，是目前男性不育的最为常见的症状之一。精子鞭毛通过规律性的摆动为精子运动提供动力，分为颈段、中段、主段和尾段。鞭毛中央贯穿着一个巨大的分子机器——轴丝（axoneme）。在轴丝的横切面可以观察到9个微管二联体（DMT）环绕着中央2个单体微管（singlet microtubule），即经典的“9+2”结构。连接在DMT上的内侧动力蛋白臂（inner dynein arm, IDA）和外侧动力蛋白臂（outer dynein arm, ODA）作为马达蛋白复合体，调节轴丝的摆动。除动力蛋白臂之外的一些蛋白质复合体被认为也参与的轴丝运动的调节，例如位于中央微管和外周二联微管之间的放射辐结构（radial spoke, RS）、位于相邻外周二联微管间的连接蛋白-动力蛋白调节复合物（nexin-dynein regulatory complex，N-DRC）。近年来刘明兮课题组系统性解析精子鞭毛RS复合体和N-DRC组分和功能成分，作为通讯作者在《美国科学院院刊》（PNAS）、《信号转导与靶向治疗》（Signal Transduction and Targeted Therapy）、《细胞通讯》（Cell Reports）等权威杂志发表系列论文，发现精子轴丝结构蛋白缺陷可能导致一种非鞭毛多重形态异常的弱精子症。精子轴丝微管二联体（DMT）复合物是精子尾部一种未被解析的复杂结构，其组分、分子相互作用规律都有待阐明，同时这种结构异常是否参与弱精子症致病过程同样有待研究。
图1: 精子轴丝结构(A)、小鼠精子DMT的冷冻样品(B)和高分辨率结构(C,D)
研究人员解析了小鼠精子的DMT结构（图1）。通过将其与已报道的牛气管纤毛的DMT结构比较，发现除了FAM166B，其他在牛支气管纤毛DMT内腔中的MIP蛋白均存在于精子鞭毛中。除此之外，在小鼠精子DMT中还鉴定到了额外的10种精子特异的MIP，包括一个去磷酸化酶DUSP21。在小鼠精子DMT的外周区域，还发现了一个蛋白激酶TSSK6的结合。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。
为了进一步研究精子DMT在不同物种间的差异，研究团队后续又解析了人精子的DMT结构（图2）。通过对比发现，相比小鼠精子DMT，人精子DMT保留了大部分MIP蛋白，包括新鉴定的多种精子特异MIP蛋白，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的进化过程。
人精子DMT的解析为理解相关男性不育症提供了重要的结构基础。研究团队进一步探究DMT中的MIP蛋白突变与精子运动功能障碍以及男性不育症的关联。在以往弱精子症的相关研究中，对精子鞭毛的多重形态异常导致的弱精症（multiple morphological abnormalities of the sperm flagella，MMAF）的研究相对广泛。但在一系列MMAF大规模遗传病因筛查中，并未检测到任何精子MIP蛋白的突变。鉴于DMT在精子鞭毛结构中的重要作用，研究团队猜测精子MIP蛋白突变可能与其他类型的弱精症有关。因此，在本研究中，研究团队募集了281位非MMAF的弱精症患者，这些患者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。通过对这些患者进行外显子测序分析，研究团队发现其中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蛋白，共涉及17种突变形式，其中8种MIP蛋白为首次报道与男性不育关联。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，研究团队定义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）”（图2）。
图2: 小鼠与人精子DMT结构比较（上）及MIP突变相关弱精症鉴定（下）
这一研究为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。
西湖大学博士研究生周伦妮、刘浩滨和皇冠体育博士研究生刘思钰为本文共同第一作者。西湖大学特聘研究员吴建平、浙江大学研究员桂淼和皇冠体育教授刘明兮为本文共同通讯作者。皇冠体育第一附属医院/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。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.009
（供稿/生殖医学与子代健康全国重点实验室）
