新生成的精子沒有運動能力，也不知道未來的去向。只有當它們到達子宮內膜，在獲能因子、分泌物等的作用下，才能“動起來”，迅速游向卵細胞。
這個過程中，一種只在精子中有分布的陽離子通道復合物CatSper發(fā)揮著關鍵作用。它可以介導鈣離子進入精子，使精子活化并朝卵細胞游動。7月5日，《自然》在線發(fā)表西湖大學生命科學學院特聘研究員吳建平的研究成果。該研究解析了CatSper的高分辨率三維結構，鑒定出了該復合物多個全新組分，首次定義了CatSper通道體。
精子活化的重要開關CatSper
不孕不育是一個全球公共衛(wèi)生問題。隨著人們生活方式的改變，該問題呈加劇趨勢。2019年，中國的不孕不育率達16.4%。
盡管輔助生殖技術得到了廣泛應用，但由于人們對于受精過程的機理研究還不夠深入，該領域仍存在很多亟待解決的生物學問題。
如果雄性小鼠的CatSper失活，其精子也會運動異常，導致不育。在眾多不育男性中，CatSper的表達量都很低，CatSper組分之一CATSPER2的突變體還會導致弱精癥。因此，CatSper這個20多年前就被鑒定出來的復合物，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。
通常的離子通道由一個核心組分負責運輸離子，稍復雜的通道會有一些輔助性亞基，通常不超過5個。但目前，CatSper已被鑒定的亞基就有10個。也就是說，它已經是已知組分最復雜的離子通道。盡管國內外有眾多課題組聚焦于CatSper結構研究，但由于CatSper的組成復雜性和精子表達特異性，相關進展仍有限。
也恰恰是它的與眾不同，引起了吳建平的興趣。“我在顏寧老師實驗室讀博士后時，主要工作就是從事離子通道研究。我當時就注意到，CatSper和其他離子通道都不一樣，我們無法通過其他研究預測其結構特征。”
美國普林斯頓大學教授顏寧告訴《中國科學報》：“吳建平2019年9月離開我的實驗室赴西湖大學任教之前，曾經跟我討論過未來的科研方向，我非常支持他提出的針對精卵融合這一重要過程進行系統(tǒng)的結構、功能與機理研究。在這一方向上，對于CatSper這一備受矚目的復雜離子通道復合物的結構生物學研究是他提出的‘先鋒部隊’課題。”
“CatSper是國際上很多‘功成名就’的科研團隊都在重點攻堅的課題。吳建平作為年輕PI，在入職之初選擇它，而沒有求穩(wěn)選擇一些技術上相對簡單的短平快課題，這非常難得，我特別開心。”顏寧表示。
結構形似“水母”
CatSper的多個組分纏繞、堆疊在一起，共同構筑了離子運輸通道。這些組分分別呈現什么形態(tài)、是如何組裝的，還有未知組分嗎?吳建平希望能找到答案。
實驗第一步是純化，即把CatSper從其他蛋白質和非蛋白質分子中分離出來。通常操作是把基因導入細胞里，使其過表達，而后通過細胞生產蛋白。“但由于CatSper的組分太多，相當于要把10個基因導入同一個細胞里，使其同時過表達。這樣操作存在極大的不確定性。”他說。
經過分析研究，吳建平團隊另辟蹊徑，摸索出一套“內源純化”策略，“相當于傳統(tǒng)方法是利用細胞復制CatSper，而我們是直接從小鼠精子上取現成的CatSper”。
“這應該是第一次在動物層面，利用基因編輯方法敲入帶有親和標簽的基因，獲取組分復雜的復合物進行結構解析。即便在冷凍電鏡研究歷史上，也是一次方法學上的創(chuàng)新和嘗試。”顏寧說。
而后，團隊利用單顆粒三維重構技術解析了鼠源CatSper蛋白2.9埃分辨率冷凍電鏡結構，首次揭示了CatSper復合體的組裝方式。
三維重構圖顯示，CatSper通道體的組成部分交疊環(huán)繞，形似“水母”，有個大大的“腦袋”露在精子細胞膜外面，攔腰部分插入在細胞膜中間，還有幾條細細的“腿”深入到細胞里面。
在“水母”內部，CatSper的4個主要功能單元環(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)現過的。”吳建平說。
將CatSper已知組分分析清楚后，他還發(fā)現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”。
實驗中的“意外之喜”
如何確定這些全新的未知組分身份?結合質譜鑒定、蛋白質結構預測等方法，團隊成員從上百個候選蛋白中經過一一比對篩選，最終鑒定出3個全新的組分。最令他們驚喜的是，其中一個組分竟然是轉運蛋白SLCO6C1。
“看到它的形態(tài)，最初感覺像轉運蛋白，因為此前做過相關的結構研究，很熟悉。但又心存疑惑，畢竟一個轉運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，怎么會有這么神奇的事。”吳建平告訴《中國科學報》，“離子通道的作用是通透離子，轉運蛋白的作用是轉運小分子，它們雖同屬細胞膜蛋白，但互不相干。CatSper通道體卻同時包含兩者，這不僅刷新了人們對于CatSper組成的認識，也顛覆了離子通道和轉運蛋白在細胞中各自為戰(zhàn)的傳統(tǒng)觀念。”
他表示：“我們的研究首次揭示了CatSper通道體獨特的組裝方式，為理解其功能調控、離子運輸等過程提供了深入的機理解釋，并為后續(xù)基于CatSper通道體結構的不育癥相關藥物、非激素類避孕藥物開發(fā)奠定了基礎。”
“真沒有想到，僅僅一年半時間，并且在有疫情沖擊的情況下，建平課題組就做出了這個重要突破。”顏寧說，“該研究拓展了針對CatSper的功能研究前景，其研究方法有可能成為未來結構生物學的主流方法之一。”
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