西湖大學團隊Cell發文，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，是生命發生的必要條件。如果精子的運動能力出現異常，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和南京醫科大學劉明兮團隊合作，在Cell在線發表題為“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，并由此發現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。

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“發動機”，一旦“發動機”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。

圖3：精子結構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個微管二聯體環繞著中央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。

由此，研究團隊把目光聚焦在“微管二聯體”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構特征，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

結構決定功能。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體結構，在分辨率更高的小鼠精子微管二聯體中共鑒定了多達49個不同的蛋白組分。

圖4：小鼠精子微管二聯體高分辨率結構

他們發現，與已有的牛的氣管纖毛微管二聯體結構比較，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體的外部區域，還發現了一個蛋白激酶TSSK6的結合。這表明小鼠精子鞭毛微管二聯體相比其他鞭毛系統的微管二聯體組成更加復雜，可能幫助進一步穩定精子鞭毛結構，以適應其劇烈擺動的功能。

然后對比人類精子鞭毛微管二聯體與小鼠精子微管二聯體（圖5），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，兩者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體中有所減少。

圖5：小鼠與人精子微管二聯體結構比較

至此，研究團隊已經較為清晰地看到了精子微管二聯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定性和精子運動調控發揮重要的作用。

也就是說，從結構表明，“MIP蛋白”是影響“發動機”性能好壞的關鍵部件。

發現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“形態異常”而導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。

但微管二聯體在精子鞭毛結構中的重要作用毋庸置疑，MIP蛋白發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蛋白突變可能會導致另一種已經存在卻還未被發現的弱精癥？

大膽假設、小心求證，科學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看起來與正常人沒有區別，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，研究團隊果然發現其中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（圖6），共涉及到17種突變形式，其中8種MIP蛋白是首次發現與男性不育癥有關。

圖6：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，研究團隊發現這些突變位點在精子微管二聯體中的分布較為分散，這表明微管二聯體內不同區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，但形態無明顯的缺陷。

這一研究結果為我們理解不同物種和組織中微管二聯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。

“逆向而行”的探索之路

“從疾病的基因檢測入手，找到相關突變蛋白，解析結構了解其功能機制，這是十分經典的‘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性、全局的理解研究對象。”吳建平說。這一次，他們“自上而下”，先從相對宏觀的分子機器結構入手，一步步縮小包圍圈，再從中找到疾病相關突變蛋白，并最終驗證了突變蛋白與疾病的關聯性。這樣不僅看清了特定蛋白與其他蛋白的結構和關聯，對于蛋白參與生理活動的過程一目了然，而且幫助他們獲得多維度的信息，更快、更精準地實現突破。

逆向而行、大膽創新，或許這正是這位90后科學家在繼2021年解密精子活化開關CatSper通道體后，在精子結構領域再次取得突破的關鍵因素之一！

西湖大學2020級博士研究生周倫妮、劉浩濱和南京醫科大學博士研究生劉思鈺為本文共同第一作者。西湖大學/西湖實驗室特聘研究員吳建平、浙江大學良渚實驗室/附屬邵逸夫醫院研究員桂淼和南京醫科大學生殖醫學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冷凍電鏡平臺、高性能計算平臺、質譜平臺和動物中心的大力支持。

【團隊簡介】

吳建平研究員2017年于清華大學取得博士學位，后赴普林斯頓大學從事博士后研究，于2019年加入西湖大學，組建生物結構實驗室。

吳建平實驗室主要利用結構生物學手段研究生殖醫學領域重大科學問題。2021年吳建平團隊曾在Nature報道精子活化關鍵通道CatSper的高分辨率結構，獲得生殖醫學和離子通道領域的廣泛關注（重大突破丨西湖大學吳建平組解密精子活化開關CatSper通道體）。

吳建平團隊工作獲得了國家自然科學基金委、浙江省自然科學基金委、西湖大學和西湖實驗室的經費支持。團隊誠邀對生殖醫學或結構生物學感興趣的有志青年加盟，歡迎聯系wujianping@westlake.edu.cn。