原標題：人類首次看到精子陽離子全貌

來源：光明日報

人類首次看到精子陽離子全貌

【科技前沿】

本報訊(記者晉浩天 通訊員俞熙娜、張弛)7月5日晚，西湖大學生命科學學院、西湖實驗室吳建平團隊在《自然》在線發表題為《一個哺乳動物精子陽離子通道復合物的結構》的最新研究成果，報道了受精過程中關鍵離子通道復合體精子陽離子的高分辨率三維結構。

這是在全世界首次揭示這一超級復合物的樣貌，并且鑒定出多個以前從未發現的成分，統稱為“精子陽離子通道體”。

結構生物學家、西湖大學校長施一公評價說：“這是一個充分彰顯結構生物學魅力的突破性進展。人類第一次看到了精子陽離子這樣一個在哺乳動物受精過程中，起到關鍵作用的鈣離子通道復合物全貌，更重要的是發現了新的蛋白組分，提出了精子陽離子通道體的概念，必將極大促進對其功能的研究。”

什么是精子陽離子？它對我們的生命活動有什么意義？這需要從生命的起源——受精說起。

吳建平介紹，受精是所有高等生物有性生殖的第一步。受精過程中，如果精子或卵子存在缺陷，就會導致不孕不育。盡管當前輔助生殖技術得到了廣泛應用，但人們對于受精過程的機理研究還不夠深入，該領域仍然有許多生物學問題亟待解決，研究精子活化的開關——精子陽離子的結構與功能就是其中之一。

據了解，精子陽離子是一種分布于精子上的陽離子通道復合物，也是目前公認的精子細胞膜上最重要的鈣離子通道。

“在小鼠模型中，精子陽離子的失活會導致精子運動異常和雄性不育。在很多男性不育病人的檢測中也發現，精子陽離子的表達量顯著降低，而精子陽離子2(精子陽離子其中一種組成部分)的突變體則會導致弱精癥。”吳建平說。

形象一點說，想要受精成功，精子需要完成兩件非常重要的事情：“游”向卵子和在卵子上“鉆孔”，這兩件事都與精子陽離子密切相關，作為鈣離子進入精子細胞的開關，它直接影響精子的運動幅度、運動速度、穿卵能力等。

因此，一直以來，精子陽離子都是治療男性不育以及開發新型非激素類避孕藥的重要靶點，解析其高分辨率三維結構具有十分重要的科學和應用意義。

然而，過去20年來，盡管國內外有眾多課題組聚焦于精子陽離子的結構研究，但進展極其有限。

“離子通道通常由一個核心組成成分負責運輸離子，稍復雜的通道會有一些輔助性組成成分，我以前研究過的通道最多有5個組成部分”，吳建平說，“但精子陽離子非常獨特，它陸續被發現的組成部分就有10個，是目前已知成分最復雜的離子通道，研究它的結構具有很大的難度。此前10個已知組成部分均無結構信息被報道。”

2019年，吳建平從普林斯頓大學結束博士后研究工作，全職加入西湖大學。此刻，他盯上了精子陽離子。吳建平團隊意識到精子陽離子可能還存在更多潛在有效成分，它們的缺失導致無法獲得完整的精子陽離子蛋白。課題組另辟蹊徑，轉而從精子細胞本身著手，通過方法的不斷摸索和優化，最終成功純化了鼠源精子陽離子復合體蛋白。

“相當于傳統的方法是利用細胞復制精子陽離子，而我們是直接從小鼠精子上去取現成的精子陽離子。”吳建平說。

依托西湖大學冷凍電鏡平臺，吳建平課題組利用單顆粒三維重構技術解析，精子陽離子的真面目終于呈現在眼前——結構表明，這實際上是一個擁有至少14個組成部分的超級復合物，吳建平團隊將其命名為精子陽離子通道體。

高清電鏡三維重構圖顯示，精子陽離子通道體的組成部分交疊環繞，像一個水母，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。

重要的是，研究團隊發現精子陽離子通道體的全新功能成分中，有一個為主要協助轉運蛋白家族成員。

精子陽離子通道體同時包含了通道蛋白和轉運蛋白。這不僅刷新了人們對于精子陽離子組成的認識，也顛覆了對于離子通道和轉運蛋白在細胞中各自為戰的傳統觀念。

該工作首次揭示了精子陽離子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，并為后續基于精子陽離子通道體結構的不育癥相關藥物和非激素類避孕藥物開發奠定了重要基礎。

據悉，西湖大學為該論文的通訊單位，生命科學學院特聘研究員吳建平為該論文的通訊作者，西湖大學博士生林世翼、博士后柯檬為該論文的共同第一作者，博士生張寓琪為論文第二作者。西湖大學特聘研究員閆湞對本文具有重要貢獻。

[責任編輯：楊凡、崔中連]

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