精子活化三維結(jié)構(gòu)首次破解定義了CatSper通道體

新生成的精子沒有運(yùn)動(dòng)能力，也不知道未來的去向。只有當(dāng)它們到達(dá)子宮內(nèi)膜，在獲能因子、分泌物等的作用下，才能“動(dòng)起來”，迅速游向卵細(xì)胞。

這個(gè)過程中，一種只在精子中有分布的陽(yáng)離子通道復(fù)合物CatSper發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它可以介導(dǎo)鈣離子進(jìn)入精子，使精子活化并朝卵細(xì)胞游動(dòng)。7月5日，《自然》在線發(fā)表西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員吳建平的研究成果。該研究解析了CatSper的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，鑒定出了該復(fù)合物多個(gè)全新組分，首次定義了CatSper通道體。

精子活化的重要開關(guān)CatSper

不孕不育是一個(gè)全球公共衛(wèi)生問題。隨著人們生活方式的改變，該問題呈加劇趨勢(shì)。2019年，中國(guó)的不孕不育率達(dá)16.4%。

盡管輔助生殖技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但由于人們對(duì)于受精過程的機(jī)理研究還不夠深入，該領(lǐng)域仍存在很多亟待解決的生物學(xué)問題。

如果雄性小鼠的CatSper失活，其精子也會(huì)運(yùn)動(dòng)異常，導(dǎo)致不育。在眾多不育男性中，CatSper的表達(dá)量都很低，CatSper組分之一CATSPER2的突變體還會(huì)導(dǎo)致弱精癥。因此，CatSper這個(gè)20多年前就被鑒定出來的復(fù)合物，一直都是治療男性不育和開發(fā)新型非激素類避孕藥的重要靶點(diǎn)。

通常的離子通道由一個(gè)核心組分負(fù)責(zé)運(yùn)輸離子，稍復(fù)雜的通道會(huì)有一些輔助性亞基，通常不超過5個(gè)。但目前，CatSper已被鑒定的亞基就有10個(gè)。也就是說，它已經(jīng)是已知組分最復(fù)雜的離子通道。盡管國(guó)內(nèi)外有眾多課題組聚焦于CatSper結(jié)構(gòu)研究，但由于CatSper的組成復(fù)雜性和精子表達(dá)特異性，相關(guān)進(jìn)展仍有限。

也恰恰是它的與眾不同，引起了吳建平的興趣。“我在顏寧老師實(shí)驗(yàn)室讀博士后時(shí)，主要工作就是從事離子通道研究。我當(dāng)時(shí)就注意到，CatSper和其他離子通道都不一樣，我們無(wú)法通過其他研究預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)特征。”

美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授顏寧告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“吳建平2019年9月離開我的實(shí)驗(yàn)室赴西湖大學(xué)任教之前，曾經(jīng)跟我討論過未來的科研方向，我非常支持他提出的針對(duì)精卵融合這一重要過程進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與機(jī)理研究。在這一方向上，對(duì)于CatSper這一備受矚目的復(fù)雜離子通道復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究是他提出的‘先鋒部隊(duì)’課題。”

“CatSper是國(guó)際上很多‘功成名就’的科研團(tuán)隊(duì)都在重點(diǎn)攻堅(jiān)的課題。吳建平作為年輕PI，在入職之初選擇它，而沒有求穩(wěn)選擇一些技術(shù)上相對(duì)簡(jiǎn)單的短平快課題，這非常難得，我特別開心。”顏寧表示。

結(jié)構(gòu)形似“水母”

CatSper的多個(gè)組分纏繞、堆疊在一起，共同構(gòu)筑了離子運(yùn)輸通道。這些組分分別呈現(xiàn)什么形態(tài)、是如何組裝的，還有未知組分嗎?吳建平希望能找到答案。

實(shí)驗(yàn)第一步是純化，即把CatSper從其他蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)分子中分離出來。通常操作是把基因?qū)爰?xì)胞里，使其過表達(dá)，而后通過細(xì)胞生產(chǎn)蛋白。“但由于CatSper的組分太多，相當(dāng)于要把10個(gè)基因?qū)胪粋€(gè)細(xì)胞里，使其同時(shí)過表達(dá)。這樣操作存在極大的不確定性。”他說。

經(jīng)過分析研究，吳建平團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，摸索出一套“內(nèi)源純化”策略，“相當(dāng)于傳統(tǒng)方法是利用細(xì)胞復(fù)制CatSper，而我們是直接從小鼠精子上取現(xiàn)成的CatSper”。

“這應(yīng)該是第一次在動(dòng)物層面，利用基因編輯方法敲入帶有親和標(biāo)簽的基因，獲取組分復(fù)雜的復(fù)合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。即便在冷凍電鏡研究歷史上，也是一次方法學(xué)上的創(chuàng)新和嘗試。”顏寧說。

而后，團(tuán)隊(duì)利用單顆粒三維重構(gòu)技術(shù)解析了鼠源CatSper蛋白2.9埃分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了CatSper復(fù)合體的組裝方式。

三維重構(gòu)圖顯示，CatSper通道體的組成部分交疊環(huán)繞，形似“水母”，有個(gè)大大的“腦袋”露在精子細(xì)胞膜外面，攔腰部分插入在細(xì)胞膜中間，還有幾條細(xì)細(xì)的“腿”深入到細(xì)胞里面。

在“水母”內(nèi)部，CatSper的4個(gè)主要功能單元環(huán)繞成通道區(qū)。“CatSper的通道區(qū)由4條完全不同的多肽鏈組成，這是其他離子通道研究從未發(fā)現(xiàn)過的。”吳建平說。

將CatSper已知組分分析清楚后，他還發(fā)現(xiàn)在電鏡密度的周邊區(qū)域有多余密度，“看到這些我很欣喜，這說明除已知的10種組分外，CatSper還存在新的未知組分”。

實(shí)驗(yàn)中的“意外之喜”

如何確定這些全新的未知組分身份?結(jié)合質(zhì)譜鑒定、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等方法，團(tuán)隊(duì)成員從上百個(gè)候選蛋白中經(jīng)過一一比對(duì)篩選，最終鑒定出3個(gè)全新的組分。最令他們驚喜的是，其中一個(gè)組分竟然是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLCO6C1。

“看到它的形態(tài)，最初感覺像轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，因?yàn)榇饲白鲞^相關(guān)的結(jié)構(gòu)研究，很熟悉。但又心存疑惑，畢竟一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道挨在一起的情況從來沒遇到過。”他說。

“我非常感慨，怎么會(huì)有這么神奇的事。”吳建平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“離子通道的作用是通透離子，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用是轉(zhuǎn)運(yùn)小分子，它們雖同屬細(xì)胞膜蛋白，但互不相干。CatSper通道體卻同時(shí)包含兩者，這不僅刷新了人們對(duì)于CatSper組成的認(rèn)識(shí)，也顛覆了離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在細(xì)胞中各自為戰(zhàn)的傳統(tǒng)觀念。”

他表示：“我們的研究首次揭示了CatSper通道體獨(dú)特的組裝方式，為理解其功能調(diào)控、離子運(yùn)輸?shù)冗^程提供了深入的機(jī)理解釋，并為后續(xù)基于CatSper通道體結(jié)構(gòu)的不育癥相關(guān)藥物、非激素類避孕藥物開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。”

“真沒有想到，僅僅一年半時(shí)間，并且在有疫情沖擊的情況下，建平課題組就做出了這個(gè)重要突破。”顏寧說，“該研究拓展了針對(duì)CatSper的功能研究前景，其研究方法有可能成為未來結(jié)構(gòu)生物學(xué)的主流方法之一。”

標(biāo)簽： 精子 三維 結(jié)構(gòu) 通道體