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

  • 习近平会见联合国秘书长古特雷斯

  • 习近平会见柬埔寨首相洪玛奈

独家策划

推荐阅读
精细匹配才能让资源发挥最大效能。把闲置变增量,让分散汇合力,精准的分配机制,有利于提高生产力。
2026-07-17 09:53
新专业落地只是起点。下一步,教育部将组织各地各校有序完成专业开设,及时开发完善教学标准和人才培养方案,明确新专业的核心素养、知识能力要求及设置条件,确保新专业设置有章可循。
2026-07-17 03:20
盛夏雨林凝翠色,沧江碧水逐新潮。7月16日,“2026世界市长对话·西双版纳”主旨对话活动在云南省西双版纳傣族自治州举行。
2026-07-17 03:50
新质生产力的形成和发展,不仅引起社会生活的重大变革,而且引起并要求人的思维方式发生新的变革。思维观念和思维方式是能力、素质的先导,只有思维“换挡”,才能适应和驾驭新质生产力的快速发展。
2026-07-17 03:50
当前,新一轮科技革命和产业变革深入推进,深刻改变着人类的生产生活方式,也引发人们对人工智能在劳动过程中究竟扮演何种角色的诸多讨论。
2026-07-17 03:50
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:54
“北科秀场”也在上演精心打造的10集暑期特辑《科学游戏大冒险》,观众化身“科学侦探”,跟随“科博士”和“科代表”开启跌宕起伏的科学冒险之旅。“北科”系列品牌活动还实现分层培养:3岁至8岁可以在“北科童行”游戏中启蒙,6岁至12岁可在“北科展教坊”探究实践,12岁至18岁可在“北科学堂”完成跨学科进阶。
2026-07-16 09:36
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:35
当钢铁机械遇上童心想象,硬核工业叙事便打破了技术壁垒,在儿童文学中生长出温柔坚韧的力量。开篇岩岩玩积木时爸爸演示的“平行四连杆机构”,最终成为破解矿车转向系统故障的关键,让孩子的奇思妙想对接工业实践。
2026-07-16 09:35
风云卫星的“跨界”应用是中国气象科技对参与我国生态治理与应对全球气候变化挑战,做出的一道“必答题”。更重要的是,风云卫星积累的连续墒情数据,为农作物生长模型构建、气候变化对农业影响分析提供支撑。
2026-07-16 09:34
一个常见误解是,基础研究离市场较远,产业竞争越激烈,越应把资源集中到应用开发和成果转化上。量子信息产业离不开量子力学,人工智能离不开数学、统计学、计算机科学和认知科学,生物制造离不开分子生物学、基因组学和合成生物学,新能源和新材料离不开物理、化学和材料科学。
2026-07-16 09:33
延东煤层气田位于延长县和宜川县境内,是陕西省属企业探明的首个大型深层煤层气田,埋深超2000米,属典型的“自生自储”型深层煤层气藏。
2026-07-15 09:15
中国科学院院士、北京大学干细胞研究中心主任邓宏魁团队发布了其首创的“化学重编程干细胞”技术的自主实验室应用——智能细胞化学重编程和克隆筛选平台。
2026-07-15 09:15
登记面积达37.7万平方公里,绿水青山有了自己的“户口本”。在生态产品价值实现机制方面,探索建立资源权益指标市场化交易机制、生态保护红线内建设用地腾退指标交易激励机制,实现成本共担、生态效益共享。
2026-07-15 09:14
对于我们抢占科技和产业制高点、牢牢把握发展主动权具有重要意义。发展未来产业,前瞻布局管方向、管长远、管全局,梯度培育管路径、管方法、管落实。
2026-07-15 09:14
在美丽乡村建设过程中,推广绿色生产技术、防治农业面源污染等工作的开展,都离不开专业人才
2026-07-15 09:13
国家气候中心预测,今年主汛期我国气候状况总体偏差,极端天气气候事件偏多,东部地区涝重于旱,有南北两条多雨带,其中北方多雨带位于东北地区、内蒙古东北部、华北、华东北部等地。
2026-07-14 10:27
当前,我国传统产业正向着智能化、绿色化、融合化方向转型,这一过程迫切需要青年技能人才的加入。
2026-07-14 10:23
以生态环境高水平保护支撑经济社会高质量发展,须以绿色化引领数字化,以数字化赋能绿色化。
2026-07-14 10:20
据中国载人航天工程办公室消息,13日,将执行嫦娥七号任务的长征五号遥十四运载火箭安全运抵文昌航天发射场。后续,该火箭将与先期运抵的嫦娥七号探测器一起开展发射场区总装和测试工作。
2026-07-14 09:23
加载更多