点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:精子活化开关三维结构首次破解
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

精子活化开关三维结构首次破解

来源:《中国科学报》2021-07-07 10:11

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。”(见习记者 刘如楠)

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平会见柬埔寨人民党主席、参议院主席洪森

  • AI漫剧 | 拒绝毒品!人生不像游戏,没有可以重来的关卡

独家策划

推荐阅读
当地时间24日,世界气象组织在日内瓦为中国工程院院士、中国气象局卫星气象专家许健民颁发第七十届国际气象组织奖,表彰他为天气预报、卫星气象事业以及气象业务服务作出的卓越贡献。
2026-06-26 09:28
来自英国伦敦国王学院与加拿大麦克马斯特大学衍生公司Block Biosciences等机构的科学家,正在研制一类靶向IMPDH2酶的候选药物。团队已设计并合成了数百种靶向IMPDH2的候选药物,正从中层层筛选最优化合物,力争尽快推向临床开发。
2026-06-26 09:26
6月25日,以“弘扬伟大抗疫精神 走好疾控新长征路”为主题的2026年“我和我的疾控故事”宣讲会在中国疾病预防控制中心举办。中国疾病预防控制中心性病艾滋病预防控制中心综合防治与政策室主任单多的故事,要从一双生了冻疮的手讲起。
2026-06-26 09:23
届链博会期间,贸促智库交流活动暨全球供应链报告与指数发布会在京举办。2018—2025年,促进指数、连接指数、创新指数、韧性指数均呈上行态势,表明全球供应链继续朝着更具韧性、更有效率、更富活力的方向发展。
2026-06-26 09:20
需要看到,保护耕地是推进乡村全面振兴、建设宜居宜业和美乡村的重要组成部分,广大农民是保护耕地的重要行动主体。
2026-06-26 09:19
卢宇彤介绍,“灵晟”依托国产高性能CPU、片上高带宽内存、高速互连网络、高吞吐存储、三维浮动正交、全液冷散热等多项核心技术创新打造。如今,面向科学、工程、产业各领域的大规模应用需求,“灵晟”提供多学科、全流程、多精度融合的科学智能应用生产级平台。
2026-06-25 09:36
日内瓦时间6月24日,中国工程院院士许健民从世界气象组织秘书长塞莱丝特·绍洛手中郑重接过第70届国际气象组织奖奖章。作为我国气象卫星事业的开拓者、见证者,许健民的身影,也是中国气象人实干创新、勇攀高峰的生动写照。
2026-06-25 09:33
在中国与泰国联合倡议下,世界贸易组织信息技术协定委员会23日举办专题研讨会,围绕信息技术协定支持人工智能就绪及包容性数字化转型展开探讨。
2026-06-25 09:32
如果它们真的是宇宙中的某种全新的事物,将改变我们对宇宙的认知,正如20世纪60年代类星体(星系中心进食的黑洞)的发现彻底革新了星系演化理论一样。”  无论直接坍缩理论是否正确,小红点都可能是超大质量黑洞的前身,后者构成了现代星系的核心。
2026-06-25 09:27
绿电直连之所以能够从概念走向实践,离不开技术进步与产业协同的共同托举。随着市场机制与技术体系不断成熟,绿电直连有望从单点示范走向规模化网络发展,成为产业绿色转型的“新动脉”。
2026-06-25 09:32
事实上,天气预报从来不是一成不变的“标准答案”,而是一门在复杂大气运动中不断逼近天气真相的科学。但我们必须正视:天气预报是一门预测科学,天气系统的复杂性,是全球气象领域共同面临的世界级难题。
2026-06-25 09:28
AI的介入,正在将控制“人造太阳”从一门依赖经验和试错的手艺,提升为一门可计算、可预测、可自主优化的科学。
2026-06-25 09:31
瑞士巴塞尔大学科学家研制出一款多功能纳米递药机器人,由推进模块和有效载荷模块构成,两种模块可重复使用,并能够自行组装。
2026-06-24 09:58
从“双链贯通”升级为“四链融合”,折射出中国推动科技创新与产业创新深度融合的有力步伐。
2026-06-24 09:48
该成果通过改善帕金森患者最难治疗的行走障碍,开启了个性化神经调控新篇章。
2026-06-24 09:47
国家卫生健康委23日印发《营养指导员服务技术指南(试行)》,针对营养指导员提出营养监测与调查、膳食营养状况评价、营养咨询与指导、营养配餐、营养科普教育等五方面工作的技术能力要求。
2026-06-24 09:46
国家粮食和物资储备局23日发布的最新数据显示,随着夏粮陆续收获上市,旺季收购正逐步展开。
2026-06-24 09:44
瑞典哥德堡大学和查尔姆斯理工大学研究团队在人工智能(AI)应用方面取得新成果,教会一款名为SmartTrap的AI系统使用光学镊子,从而让光镊实现了全自动运行。光镊是一种利用高度聚焦的激光束来操控微小物体的技术,其操作对象包括单个DNA分子、活细胞以及其他直径远小于发丝的微观粒子。
2026-06-23 09:40
“十五五”规划纲要提出,建立健全数据产权、流通利用、收益分配、安全治理等数据要素基础制度。
2026-06-23 09:38
上午9时,随着小浪底水利枢纽3个闸门徐徐升起,巨大水流喷涌而出,在空中形成层叠奔涌的排浪,轰鸣着冲向水面——2026年度黄河调水调沙正式启动。
2026-06-23 09:35
加载更多