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

  • 黑颈鹤飞抵云南大山包越冬

  • 缤纷冬日

独家策划

推荐阅读
中国科学技术大学教授潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等与山西大学教授梅锋等合作,基于可编程超导量子处理器“祖冲之二号”,首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相。
2025-12-01 09:33
在距离海平面千米的深海,阳光无法抵达,海水冰冷,压力极大。然而,在环境极端的“海底沙漠”中,却生长着形态各异、结构复杂的深海珊瑚,构建起生机勃勃的海底“秘密花园”。
2025-12-01 09:32
推动科技创新和产业创新深度融合,是加快发展新质生产力、建设现代化产业体系的内在要求,也是塑造高质量发展新动能新优势的战略抉择。
2025-12-01 09:23
红小豆又名赤豆、小豆,是中国老百姓餐桌上一种颇受欢迎的杂粮,但科学家对其基因组的了解还不够深入。
2025-12-01 09:23
在“梦想”号问世之前,中国科学家想要开展深海大洋钻探研究,只能“借船出海”。
2025-12-01 09:22
11月28日晚,2025中国・E-TOWN电竞节超级冠军杯开幕式在位于北京经济技术开发区(又称“北京亦庄”)的北京智慧电竞赛事中心举行。
2025-11-28 20:51
加强重点液态食品道路散装运输监管,守护“舌尖上的安全”;督促连锁餐饮企业落实食品安全主体责任,规范一些连锁餐饮企业“只开店、不管店”问题;“旧国标”电动自行车全面停售……12月新规,一起来看!
2025-11-28 17:11
从神舟二十号乘组换乘返航的刷屏热搜,到“太空烧烤”的温情热议;再到“十五五”期间中国计划发射4颗科学卫星任务……近期中国航天事业的新进展层出不穷。
2025-11-28 09:15
人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术,其标准化建设直接关系到关键核心技术自主可控、智能成果普惠于民以及在全球科技治理中赢得话语权。
2025-11-28 05:00
在黑龙江省齐齐哈尔市甘南县东阳镇隆胜村树莓园,凛冽寒风中,东北农业大学园艺园林学院教授霍俊伟正蹲在田埂上仔细查看果树修剪情况。
2025-11-28 05:00
11月27日,国家文物局在京召开专题新闻发布会,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副所长付巧妹向媒体介绍了石峁遗址最新科学研究成果。
2025-11-28 05:00
日前,中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作,在纳米尺度量子精密测量领域取得重大突破
2025-11-28 05:00
近日,在广西南宁举行的全国科普创作大会上,中国科普作家协会发布了2025年度十大科普热词——全国科普月、科学家精神、大模型、低空经济、人形机器人、智能体、创新文化、工业遗产、场景创新、科幻产业。
2025-11-27 05:40
近期,在一些电商平台,有买家利用AI技术制作假图,伪造商品质量问题,向商家骗取“仅退款”,引发大家关注。利用AI造假骗取退款,既反映出这些人的诚信缺失,更触碰了法律红线。
2025-11-27 09:07
在城市公共服务领域,“祥云”载人飞艇可用于大型活动期间的空中安保巡逻、交通流量监测或承担城市形象的空中展示平台。
2025-11-27 09:06
稀土纳米晶是发光材料中的“绝缘宝石”,虽具有巨大的发光潜力,却因自身局限无法被电流直接“点亮”,成为其实现光电技术产业化应用的根本瓶颈。
2025-11-27 05:40
从中国载人航天工程办公室获悉,因任务规划调整,2026年我国将组织实施天舟十号、神舟二十三号、神舟二十四号、梦舟一号4次飞行任务。
2025-11-27 05:40
广西梧州苍梧县沙头镇龙科村,稻田、房屋、道路、小河勾画出美丽丰收画卷。 春采茶、夏摘花、秋收果、冬育苗,如今在都镇湾镇,一朵朵洁白芬芳的栀子花,成了带动群众增收致富的“幸福花”。
2025-11-27 07:38
近日,自然资源部发布了矿产资源节约与综合利用先进适用技术目录(2025年版),共有376项技术入选,其中新增入选186项,与2022年版相比有了大幅更新。
2025-11-26 10:26
全国科学技术名词审定委员会近日举办2025年度工作会议暨学术年会。
2025-11-26 10:24
加载更多