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

  • 习近平春节前夕慰问部队

独家策划

推荐阅读
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
针对常见的饮食误区,杨爱明特别提醒,不建议采用“不吃主食”或“用水果代替主食”的方法来控制体重。对于肠胃功能较弱的人群,应避免过冷、过烫、过辣、过咸食物的刺激,切忌暴饮暴食,并尽量保持规律的进餐时间,以防加重原有胃肠问题。
2026-02-11 09:24
近日,市场监管总局(国家标准委)批准发布《中医体质分类与判定》推荐性国家标准。
2026-02-10 09:44
聚集相关企业300余家,机器人产业链规模超百亿元……北京亦庄,为何扎堆这么多机器人企业?
2026-02-10 09:42
“十四五”时期,我国全社会研发经费投入年均增长10%,研发经费投入强度提高0.44个百分点。
2026-02-10 09:41
日前,我科研团队在国际学术期刊《科学》发表论文《多尺度泛基因组图谱赋能混合倍性甘蔗的基因组解析》,为甘蔗高产优质育种提供了全新“基因资源地图”与核心分析工具。
2026-02-10 09:34
日前,南海区域海-气双向耦合智能大模型“飞鱼-1.0”在广东广州正式发布。“
2026-02-10 09:33
蓝天、绿林、碧水、清波……冬日的广东东莞松山湖科学城,温暖、惬意。
2026-02-09 10:00
这声呼唤,穿越漫长岁月,凝结着人类对这位地球近邻永恒的好奇与梦想。而今,随着新一轮探月热潮在全球兴起,这句“去月球”已不再仅仅是浪漫的诗意表达,更成为科技前沿竞相追逐、国家实力与创新精神交汇的生动实践。
2026-02-09 09:57
特种机器人技术与数智系统创新团队成员张平点击一键启动指令后,雷达驱动、定位算法、规划与控制算法等模块被加载。在系统支持下,无人机能够精准定位、自主导航与实时避障,像一位不知疲倦的巡检员。
2026-02-09 09:53
深耕西南高原山区二十余载,于富强与真菌为伴,在种质资源保护与产业富民之间架起桥梁,把论文写进泥土中,把科研做进农户的大棚里。3年间,于富强往返昆明与水城数十趟,硬是帮着水城从零起步,建成了食用菌研究所、日产50万袋的菌种厂和鲜菇冷链物流集散中心。
2026-02-09 09:53
研究团队将这一环境效应与黑洞双星轨道偏心率的演化同时纳入统一模型,并将理论预测与北美纳赫兹引力波天文台合作组15年的观测数据进行对比分析。陈一帆表示,尽管当前的不确定性仍然较大,但该研究已经表明,引力波观测开始携带关于星系中心环境的可测信息。
2026-02-09 09:53
近日,国家管网集团西部管道公司成功完成所辖新疆段天然气、原油、成品油管道输送全生命周期碳足迹核算,获得中国质量认证中心颁发的“产品碳足迹证书”。
2026-02-06 09:18
近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队研发出新型植物基因研究工具——对目标DNA序列的邻近空间蛋白标记系统。
2026-02-06 09:38
因为像了解自己的孩子一样了解黑土地,韩晓增有个外号——“黑土地的营养搭配师”。他带领团队精心配制出一套营养搭配的“秘方”。
2026-02-06 09:33
蚊种与病毒之间存在高度匹配关系。1901年,公共卫生与热带医学领域先驱沃尔特·里德证明,蚊子是传播黄热病的元凶。科学界传统观点认为,病毒以颗粒形式在蚊子体内传播,却始终不知道真正的“病毒受体”是什么。
2026-02-06 09:31
科技创新和产业创新的深度融合,不仅是构建现代化产业体系的战略举措,更是贯彻新发展理念、推动高质量发展、加快构建新发展格局的重要抓手。
2026-02-06 09:13
加载更多