中国学者领衔！精子鞭毛中，发现一篇Nature！

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-03 19:25

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哺乳动物纤毛轴丝的相应模型尚不完整

生殖、发育和体内平衡依赖于纤毛的运动，纤毛有节奏的跳动是由一种基于微管的分子机器——轴丝驱动的。在过去的20年里，低温电子断层扫描(cryo-ET)和低温电子显微镜(cryo-EM)将对轴丝的理解带到了分子水平，并在最近的一个来自莱茵衣藻的96纳米模块重复的原子模型中达到顶峰。然而，哺乳动物轴丝的相应模型尚不完整。此外，并不完全了解轴丝的分子结构如何在体内不同类型的运动细胞中发生变化。

高等哺乳动物各类纤毛/鞭毛的冷冻电镜结构

在这项研究中， 圣路易斯华盛顿大学张锐 课题组使用低温电子显微镜，低温电子断层扫描和蛋白质组学来解析来自输卵管，脑室和呼吸道的精子鞭毛和上皮纤毛的双联微管(DMTs)的96 nm模块化重复。精子DMTs是最特化的，上皮纤毛在组织之间只有微小的差异。作者建立了哺乳动物精子DMT的模型，定义了181个蛋白质的位置和相互作用，其中包括34个新发现的蛋白质。作者阐明了径向辐条3的组成，并揭示了与ATP再生和纤毛运动调节相关的激酶的结合位点。作者发现了一种精子特异性的轴索系T复合物蛋白环复合物(TRiC)伴侣，它可能有助于哺乳动物精子长鞭毛的构建或维持。相关工作以“ Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia ”为题发表在 Nature 。

【文章要点】

一、上皮细胞和精子DMTs的比较

本研究通过单粒子分析(SPA)冷冻电镜技术，重建了不同哺乳动物运动纤毛细胞的轴丝96 nm重复单位的三维结构，并对比分析了精子鞭毛和上皮纤毛之间的结构差异。上皮纤毛的双线粒微管(DMTs)结构高度一致，仅在内腔的结构蛋白(tektin及RIBC1/2)上有差异，反映了上皮纤毛在形态和功能上的相似性。与上皮纤毛DMT不同，牛精子鞭毛DMT具有额外的结构复杂性，包括微管间蛋白(MIPs)的分布特点等。纤毛微管相关蛋白(CIMAP)也表现出细胞类型特异性分布，如CIMAP2仅在精子中存在。这些结构差异的观察结果与蛋白质组学和基因表达数据一致，为阐明不同运动纤毛细胞类型的功能特化提供了结构基础。总之，该研究通过比较分析了牛、猪和人的运动纤毛细胞DMT的三维结构，揭示了精子鞭毛与上皮纤毛在轴丝结构上的显著差异。

图1 上皮细胞和精子DMTs的比较

二、精子96-nm模块化重复序列模型

作者利用cryo-EM数据和人工智能建模方法，构建了高分辨率的牛精子轴丝96 nm重复单元的原子模型。这是迄今为止最完整的哺乳动物轴丝结构模型。与之前对人呼吸道纤毛的模型相比，该模型新增了34个轴丝蛋白，其中21个在不同细胞类型中保守，13个是精子特异性蛋白。作者详细描述了这些新发现蛋白的结构位置和功能，包括ARMH1亚复合物、WDR64、N-DRC蛋白LRRC74A和ANKEF1、以及参与内臂动力蛋白f和RS2定位的LRRC51和CFAP206等。作者将已知与运动纤毛疾病或男性不育相关的蛋白映射到模型上，显示几乎每个亚复合物的结构缺陷都可能引起疾病，反映了轴丝结构的高度协调性。总之，该原子模型为理解轴丝结构的复杂性、细胞类型特异性，以及与相关疾病机制之间的联系提供了重要的结构基础。

图2 新发现的精子特异性和疾病相关的轴丝蛋白

三、RS3的分子组成

作者构建了桨叶状结构(radial spoke， RS) RS3的高分辨率原子模型，覆盖了大部分在cryo-EM和cryo-ET实验中观察到的密度。RS3由17种蛋白质组成，其中包括多种酶类活性域，如激酶、磷酸酶和脱氢酶等，与RS1和RS2的主要结构蛋白不同。大部分RS3蛋白在不同哺乳动物运动纤毛中保守，一些与纤毛疾病或男性不育相关的蛋白如STYXL1、CATIP和LRRC23也定位于RS3。RS3的核心蛋白CFAP91通过其C端螺旋结构域作为装配平台，与其他蛋白通过RIIa或DPY30结构域结合，类似于RS1/RS2的组装方式。精子特异性的RS2-RS3桥由RGS22和EFCAB5蛋白组成，LRRD1和STKLD1进一步稳定了该桥的结构。这种跨幅连接可能在调节轴丝弯曲和传递信号等方面发挥作用。综上所述，该研究提供了哺乳动物轴丝RS3结构的高分辨率模型，阐明了其组装结构和精子特异性变化。

图3 哺乳动物精子中RSs的结构

四、精子特异性RS结合TRiC伴侣

在精子鞭毛轴丝中，存在一个桶状的密度结构悬挂于RS1和RS2之间，这在之前的原位冷冻电子断层扫描(cryo-ET)研究中有所观察。本文通过单粒子分析(SPA)cryo-EM手段，将这一桶状结构重建到约7-8 Å分辨率，确认其为TRiC chaperon复合体。TRiC由两层各8个CCT亚基组成的环状结构，其本身的内在不对称性使得研究者能够确定其在轴丝中的精确定位和相互作用。TRiC的近端环通过与RS1上的RGS22和AK8蛋白结合，而远端环则通过一个连接器与RS2头部的DNAJB13和NME5蛋白相互作用。与之前在酵母中发现的TRiC辅助因子Plp2的结合位置不同，TRiC在哺乳动物精子中的精确定位可能与其独特的功能相关。蛋白质组学和免疫荧光数据也支持TRiC仅在精子中丰富表达，而在上皮纤毛中几乎检测不到，这可能是造成二者该结构存在差异的原因。

图4 精子特异性RS结合TRiC伴侣

中国学者领衔！精子鞭毛中，发现一篇Nature！

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