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专家点评Nat Commun｜陈浩/段树民/李霞合作发现附睾上皮细胞间新的“细胞间细胞器储库”

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-02-21 07:18

正文

点评｜俞立 （清华大学生命科学学院）

附睾是除睾丸外另一个重要的雄性生殖器官，睾丸产生的精子通过附睾获得运动和受精的能力。临床上发现男性不育症不仅与精子数量减少和密度降低相关，还与附睾中精子成熟异常密切相关 【1, 2】 。相较于睾丸，人们对附睾的关注不多，上世纪末，张永莲院士发现了大鼠附睾特异表达的新基因 Bin1b 并鉴定了一系列β-防御素家族基因，推动了国际生殖生物学届对附睾基因的关注 【3-5】 。此外，近年来的研究发现，附睾还可以通过小RNA分泌 【6-9】 或外泌体 【10】 的形式，影响子代的胚胎发育和子代健康，并具有父系表观遗传模式 【11】 。

长久以来，人们在附睾上皮细胞的透射电镜结果中观察到了一些空泡状结构。然而迄今为止，既不能确定其属于细胞内还是细胞外，也未对这些空泡进行标注，其生理和病理学意义也不明确。 体积电镜 （volume electron microscopy, vEM ）是一项新兴技术，通过此技术可以使电子显微镜在三维层面、微米到毫米的体积尺度和纳米级分辨率条件下探索细胞的超微结构 【12, 13】 。这项技术被《Nature》杂志评为“2023年最值得关注的7项技术”之一 【14】 。

2025年2月15日，广州医科大学陈浩、浙江大学 段树民 和南通大学李霞课题组共同在 Nature Communications 上发表研究论文 In situ architecture of the intercellular organelle reservoir between epididymal epithelial cells by volume electron microscopy ，使用体电镜技术发现附睾细胞的空泡样结构存在于附睾上皮细胞之间而非细胞内，在此结构中存在包括蛋白聚集体、自噬样小体、溶酶体相关细胞器和线粒体在内的多种细胞器。基于空泡样结构的特征，将其命名为“ 细胞间细胞器储库 （ I ntercellular O rganelle R eservoir, IOR ） ”，并揭示了其在细胞器周转和回收过程中的重要作用。

研究人员首先通过基于聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）的vEM技术收集了附睾不同区段的数据集，在介观尺度下重构了这些区段的附睾上皮细胞的三维（3D）结构，首次发现空泡状的结构存在于细胞侧向间隙（Lateral Intercellular Space, LIS）中，且内含有蛋白质聚集体、自噬体、溶酶体相关细胞器和线粒体残留物等成分。而传统的教科书理论认为，上皮细胞的侧面是紧密连接排列，细胞和细胞之间无缝隙存在或仅有细微的空间（Knobil and Neill’s Physiology of Reproduction, 4th edition）。为了排除固定液等实验过程中可能引入的伪象，研究团队使用了不同的小鼠品系和包括高压冷冻替代的非化学固定的附睾样本，均证实了IOR的存在。

进一步的三维重构结果发现，IOR中存在包括蛋白聚集体、自噬小体、 溶酶体相关细胞器 （ LRO ）和线粒体等多种细胞器成分。随后的激光共聚焦显微镜和免疫电子显微镜结果证明了自噬和溶酶体标记物LC3、P62、LAMP1和线粒体标记物TOMM20在细胞外IOR的表达信号。有趣的是，IOR的数量随年龄增长显著下降并伴随着自噬相关蛋白（如P62）表达的下降，提示IOR在维持附睾上皮完整性和老龄小鼠生育能力降低相关。除附睾外，在小肠上皮细胞间也发现了IOR结构，提示IOR在上皮细胞中的功能具有一定的普适性。

在机制探索的过程中，研究人员发现Rab27a 突变小鼠（其Rab27a在纯和突变小鼠中缺失）附睾中IOR数量及其中的LRO和MVB明显减少，并伴随着小鼠精子活力下降和生育能力降低，这表明Rab27a是参与IOR形成的重要分子之一。同时，IORs 内含有多种细胞器降解产物，其边缘存在氨基酸转运蛋白，提示 IORs 可能参与蛋白质的循环利用，为研究细胞器降解和物质循环提供了全新的思路。

广州医科大学陈浩教授（原南通大学医学院）和浙江大学段树民院士为本文通讯作者，南通大学特种医学研究院李霞教授、南通大学医学院陈浩教授的博士研究生乔枫、浙江大学冷冻电镜中心郭建胜、南通大学医学院陈浩教授的硕士研究生姜婷为本文第一作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56807-9.pdf

专家点评

俞立教授 （清华大学生命科学学院）

附睾是男性生殖系统中负责精子的成熟、储存和运输的器官。在附睾管腔内，精子从功能上不成熟的状态转变为具有完全受精能力的状态，而这一过程依赖于附睾上皮细胞提供的复杂微环境。在我国，张永莲先生开创了附睾功能基因鉴定和机制研究的新领域。早期研究主要通过免疫组化、细胞染色和体外模型揭示了附睾表达基因对精子成熟的调节，为我们了解附睾调节精子功能提供了宝贵的理论。然而，对于附睾上皮细胞特征的研究和细胞-细胞相互作用的研究，则受制于分辨率和非特异性标记等问题。传统的透射电子显微镜（TEM）虽然能够提供高分辨率的二维图像，但在解析复杂的三维细胞结构方面存在局限性。

2025年2月15日，广州医科大学陈浩教授与浙江大学 段树民 院士和南通大学李霞教授团队合作，在 Nature Communications 发表题为 In situ architecture of the intercellular organelle reservoir between epididymal epithelial cells by volume electron microscopy 的研究论文。该研究使用体电镜技术（volume electron microscopy，vEM），成功实现了对完整附睾上皮细胞超微结构的高分辨率三维可视化。研究团队首次揭示并命名了一种全新的细胞外结构— 细胞间细胞器储库（IOR）。 IOR由桥粒稳定，包含蛋白质聚集体、自噬体、溶酶体相关细胞器（LRO）和线粒体残余。免疫标记显示IOR中存在P62、LC3、LAMP1和TOMM20等关键标志物，表明IOR能够介导细胞外的自噬与溶酶体降解。这一发现挑战了细胞器周转仅为细胞内过程的传统观点，提示上皮细胞可能通过IOR这一细胞外机制来维持稳态。

更进一步，研究者们发现IOR的结构呈现出“珍珠链”样分布。IOR的形成依赖于小GTP酶Rab27a，Rab27a缺失的小鼠IOR显著减少，伴随细胞器降解受损及生育能力下降，这表明IOR在维持附睾上皮功能和支持附睾环境中精子成熟方面具有重要作用。此外，IOR边缘的氨基酸转运蛋白SLC7A14和SLC6A15表明其可能通过循环利用降解产物促进细胞稳态。

值得注意的是，除了附睾，IOR还存在于肠上皮细胞中，这表明其可能是上皮组织的一种普遍特征。IOR在肠道中的发现也引发了许多有趣的问题，例如它们是否通过降解和循环利用受损细胞器来维持肠道屏障，或者是否在上皮更新和损伤修复中发挥作用。此外，上皮细胞作为许多组织的基本组成单位，长期以来被认为是紧密排列的细胞，其细胞侧向间隙极小，它们通过自身的细胞器周转和信号传递来维持稳态并执行特定功能。IOR的发现重新定义了上皮细胞间隙的功能，表明LIS不仅是离子运输的场所，还可能是细胞间通讯和细胞器周转的重要场所。IOR的发现是对上皮生物学理解的范式转变，它不仅揭示了上皮细胞如何通过细胞外机制维持稳态，还为理解男性生殖健康的分子机制开辟了新的研究方向。

制版人：十一

参考文献

1 Esteves, S. C. A clinical appraisal of the genetic basis in unexplained male infertility. Journal of human reproductive sciences 6, 176-182, doi:10.4103/0974-1208.121419 (2013).

2 Joffe, M. What has happened to human fertility? Hum Reprod 25, 295-307, doi:10.1093/humrep/dep390 (2010).

3 Zhou CX, Z. Y., Xiao L, Zheng M, Leung KM, Chan MY, Lo PS, Tsang LL, Wong HY, Ho LS, Chung YW, Chan HC. An epididymis-specific beta-defensin is important for the initiation of sperm maturation. Nat Cell Biol 6, 458-464 (2004).

4 Zhao, Y. et al. The epididymis-specific antimicrobial peptide beta-defensin 15 is required for sperm motility and male fertility in the rat (Rattus norvegicus). Cell Mol Life Sci 68, 697-708, doi:10.1007/s00018-010-0478-4 (2011).

5 Li, P. et al. An antimicrobial peptide gene found in the male reproductive system of rats. Science 291, 1783-1785, doi:DOI 10.1126/science.1056545 (2001).

6 Sharma, U. et al. Small RNAs Are Trafficked from the Epididymis to Developing Mammalian Sperm. Dev Cell 46, 481-494 e486, doi:10.1016/j.devcel.2018.06.023 (2018).

7 Zhou, W. et al. Mechanisms of tethering and cargo transfer during epididymosome-sperm interactions. BMC Biol 17, 35, doi:10.1186/s12915-019-0653-5 (2019).

8 Conine, C. C., Sun, F., Song, L., Rivera-Perez, J. A. & Rando, O. J. Small RNAs Gained during Epididymal Transit of Sperm Are Essential for Embryonic Development in Mice. Dev Cell 46, 470-480 e473, doi:10.1016/j.devcel.2018.06.024 (2018).

9 Conine, C. C., Sun, F., Song, L., Rivera-Perez, J. A. & Rando, O. J. MicroRNAs Absent in Caput Sperm Are Required for Normal Embryonic Development. Dev Cell 50, 7-8, doi:10.1016/j.devcel.2019.06.007 (2019).

10 Chan, J. C. et al. Reproductive tract extracellular vesicles are sufficient to transmit intergenerational stress and program neurodevelopment. Nat Commun 11, 1499, doi:10.1038/s41467-020-15305-w (2020).

11 Chen, Q. et al. Sperm tsRNAs contribute to intergenerational inheritance of an acquired metabolic disorder. Science 351, 397-400, doi:10.1126/science.aad7977 (2016).

12 Xu, C. S. et al. An open-access volume electron microscopy atlas of whole cells and tissues. Nature 599, 147-151, doi:10.1038/s41586-021-03992-4 (2021).

13 Heinrich, L. et al. Whole-cell organelle segmentation in volume electron microscopy. Nature 599, 141-146, doi:10.1038/s41586-021-03977-3 (2021).

14 Eisenstein, M. Seven technologies to watch in 2023. Nature 613, 794-797, doi:10.1038/d41586-023-00178-y (2023).

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