精子活化三维结构首次破解定义了CatSper通道体

2021-08-10 10:18:24

新生成的精子没有运动能力,也不知道未来的去向。只有当它们到达子宫内膜,在获能因子、分泌物等的作用下,才能“动起来”,迅速游向卵细胞。

这个过程中,一种只在精子中有分布的阳离子通道复合物CatSper发挥着关键作用。它可以介导钙离子进入精子,使精子活化并朝卵细胞游动。7月5日,《自然》在线发表西湖大学生命科学学院特聘研究员吴建平的研究成果。该研究解析了CatSper的高分辨率三维结构,鉴定出了该复合物多个全新组分,首次定义了CatSper通道体。

精子活化的重要开关CatSper

不孕不育是一个全球公共卫生问题。随着人们生活方式的改变,该问题呈加剧趋势。2019年,中国的不孕不育率达16.4%。

尽管辅助生殖技术得到了广泛应用,但由于人们对于受精过程的机理研究还不够深入,该领域仍存在很多亟待解决的生物学问题。

如果雄性小鼠的CatSper失活,其精子也会运动异常,导致不育。在众多不育男性中,CatSper的表达量都很低,CatSper组分之一CATSPER2的突变体还会导致弱精症。因此,CatSper这个20多年前就被鉴定出来的复合物,一直都是治疗男性不育和开发新型非激素类避孕药的重要靶点。

通常的离子通道由一个核心组分负责运输离子,稍复杂的通道会有一些辅助性亚基,通常不超过5个。但目前,CatSper已被鉴定的亚基就有10个。也就是说,它已经是已知组分最复杂的离子通道。尽管国内外有众多课题组聚焦于CatSper结构研究,但由于CatSper的组成复杂性和精子表达特异性,相关进展仍有限。

也恰恰是它的与众不同,引起了吴建平的兴趣。“我在颜宁老师实验室读博士后时,主要工作就是从事离子通道研究。我当时就注意到,CatSper和其他离子通道都不一样,我们无法通过其他研究预测其结构特征。”

美国普林斯顿大学教授颜宁告诉《中国科学报》:“吴建平2019年9月离开我的实验室赴西湖大学任教之前,曾经跟我讨论过未来的科研方向,我非常支持他提出的针对精卵融合这一重要过程进行系统的结构、功能与机理研究。在这一方向上,对于CatSper这一备受瞩目的复杂离子通道复合物的结构生物学研究是他提出的‘先锋部队’课题。”

“CatSper是国际上很多‘功成名就’的科研团队都在重点攻坚的课题。吴建平作为年轻PI,在入职之初选择它,而没有求稳选择一些技术上相对简单的短平快课题,这非常难得,我特别开心。”颜宁表示。

结构形似“水母”

CatSper的多个组分缠绕、堆叠在一起,共同构筑了离子运输通道。这些组分分别呈现什么形态、是如何组装的,还有未知组分吗?吴建平希望能找到答案。

实验第一步是纯化,即把CatSper从其他蛋白质和非蛋白质分子中分离出来。通常操作是把基因导入细胞里,使其过表达,而后通过细胞生产蛋白。“但由于CatSper的组分太多,相当于要把10个基因导入同一个细胞里,使其同时过表达。这样操作存在极大的不确定性。”他说。

经过分析研究,吴建平团队另辟蹊径,摸索出一套“内源纯化”策略,“相当于传统方法是利用细胞复制CatSper,而我们是直接从小鼠精子上取现成的CatSper”。

“这应该是第一次在动物层面,利用基因编辑方法敲入带有亲和标签的基因,获取组分复杂的复合物进行结构解析。即便在冷冻电镜研究历史上,也是一次方法学上的创新和尝试。”颜宁说。

而后,团队利用单颗粒三维重构技术解析了鼠源CatSper蛋白2.9埃分辨率冷冻电镜结构,首次揭示了CatSper复合体的组装方式。

三维重构图显示,CatSper通道体的组成部分交叠环绕,形似“水母”,有个大大的“脑袋”露在精子细胞膜外面,拦腰部分插入在细胞膜中间,还有几条细细的“腿”深入到细胞里面。

在“水母”内部,CatSper的4个主要功能单元环绕成通道区。“CatSper的通道区由4条完全不同的多肽链组成,这是其他离子通道研究从未发现过的。”吴建平说。

将CatSper已知组分分析清楚后,他还发现在电镜密度的周边区域有多余密度,“看到这些我很欣喜,这说明除已知的10种组分外,CatSper还存在新的未知组分”。

实验中的“意外之喜”

如何确定这些全新的未知组分身份?结合质谱鉴定、蛋白质结构预测等方法,团队成员从上百个候选蛋白中经过一一比对筛选,最终鉴定出3个全新的组分。最令他们惊喜的是,其中一个组分竟然是转运蛋白SLCO6C1。

“看到它的形态,最初感觉像转运蛋白,因为此前做过相关的结构研究,很熟悉。但又心存疑惑,毕竟一个转运蛋白和离子通道挨在一起的情况从来没遇到过。”他说。

“我非常感慨,怎么会有这么神奇的事。”吴建平告诉《中国科学报》,“离子通道的作用是通透离子,转运蛋白的作用是转运小分子,它们虽同属细胞膜蛋白,但互不相干。CatSper通道体却同时包含两者,这不仅刷新了人们对于CatSper组成的认识,也颠覆了离子通道和转运蛋白在细胞中各自为战的传统观念。”

他表示:“我们的研究首次揭示了CatSper通道体独特的组装方式,为理解其功能调控、离子运输等过程提供了深入的机理解释,并为后续基于CatSper通道体结构的不育症相关药物、非激素类避孕药物开发奠定了基础。”

“真没有想到,仅仅一年半时间,并且在有疫情冲击的情况下,建平课题组就做出了这个重要突破。”颜宁说,“该研究拓展了针对CatSper的功能研究前景,其研究方法有可能成为未来结构生物学的主流方法之一。”

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