精子和卵细胞相遇的 “罗曼蒂克史” 背后，要经历从宫颈到输卵管的漫漫征程，最终才能将其携带的 DNA 信息传递到成熟的卵细胞中去。对于精子而言，完成这段征程，必不可少的便是精子特异性钙离子通道，这些通道被哺乳动物鞭毛激活后，能帮助精子成功完成 “航行” 和信息传递。CatSper（The cation channel of sperm）就是其中一类离子通道，由 4 个成孔亚基和至少 6 个辅助亚基组成，任意亚基的功能缺陷都会造成雄性生育率下降。这类离子通道是治疗男性不育以及开发新型非激素类避孕药的重要靶点。过去 20 年来，国内外研究 CatSper 结构的实验室不在少数，但进展不尽如人意。近日，西湖大学生命科学学院、西湖实验室吴建平团队在 Nature 在线发表题为 “Structure of a mammalian sperm cation channel complex” 的最新研究结果，报道了受精过程中关键离子通道复合体 CatSper 的高分辨率三维结构。这是世界上首次解析了 CatSper 高分辨率结构，同时，也鉴定出了多个以前未发现的成分，他们将这些组分统称为 “CatSper 通道体”（CatSpermasome）。结构生物学家，美国国家科学院外籍院士颜宁称，“这应该是第一次在动物层面利用基因编辑的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，这即便是在冷冻电镜纪元，也是方法学上的一次创新型尝试。吴建平团队的研究方法也有可能成为未来结构生物学的主流方法之一。”
对此，生辉联系到了吴建平，就他的研究进行了探讨。吴建平博士期间师从颜宁，在读期间，就拿到了 CNS 大满贯。事实上，成熟的精子一开始的活动性并不高，如果不是受到黄体酮（卵巢黄体分泌的一种天然孕激素）的刺激，它们根本无法找到卵细胞。CatSper 位于精子鞭毛的中后段，它作为 “开关” 则能够增加精子的活动性。
图 | 荧光显微镜下的小鼠精子，CatSper 分布于红色区段（来源：上述论文）CatSper 已报道包含 4 个成孔亚基和 6 个辅助亚基，对精子超活化、穿卵等功能起关键作用。尽管其具有生理学重要性，但已确定的 10 个亚基均未在结构上进行表征，这也导致其针对该靶点的治疗男性不育和非激素类避孕药的开发相对缓慢。
吴建平也曾表示，离子通道通常都是由一个核心组成成分负责运输离子，稍复杂的通道都会有几个辅助性成分，但一般不超过 5 个。他还提到， CatSper 尤其特殊，它是目前已知成分最复杂的离子通道，研究它的结构具有很大的难度。对于这块学术界公认的 “难啃的骨头”，作为入职西湖大学的年轻 PI，吴建平却挑起了大梁。“首先，CarSper 在受精过程中起关键作用；其次，它属于离子通道，但和我了解的通道非常不一样，引起了我的兴趣；最后，由于其结构的复杂性，关于它的研究一直是结构生物学的难点，这激发了我要攻克这一难点的斗志。” 他讲道。传统结构生物学在研究蛋白质时，主要做法时将其基因导入细胞，在细胞中表达出蛋白质。“由于其组分过于复杂，传统的细胞过表达蛋白的方式在这个课题中行不通。”因此，课题组尝试了内源纯化的策略，从小鼠的精子细胞中纯化。“为了克服内源纯化没有亲和标签的难题，我们设计了一个转基因小鼠，在目标蛋白前面加了一段亲和标签，最后成功从该转基因鼠中纯化得到了 CatSper 蛋白。”依托西湖大学的冷冻电镜平台，该团队利用单颗粒三维重构技术解析了其分辨率为 2.9 Å 的三维结构。结构表明，这实际上是一个拥有至少 14 个组成部分的超级复合物，他们将其命名为 CatSper 通道体。对此，吴建平表示，“我们的电镜密度中还有一处胞内区和一根跨膜螺旋的密度由于局部分辨率不高，无法鉴定出对应的蛋白。这个密度明确了还存在新的未知组分，但是它属于 1 个蛋白还是多个蛋白目前还不清楚。因此我们可以说 CatSper 通道至少包含 14 个组分。”图 | CatSpermasome 冷冻电镜结构（来源：上述论文）高清电镜三维重构图显示，CatSper 通道体的组成部分交叠环绕，像一个水母，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。这也解释了 CatSper 四个成孔亚基的分布。吴建平表示：“人源 CatSper 和鼠源 CatSper 具有 50% 的一致性，我们可以根据该工作比较准确的预测人源 CatSper 的结构，这有助于理解相关人源突变的致病机理以及基于结构的药物筛选。针对 CatSper 的激活剂或者抑制剂开发将有希望应用于治疗相关的不育症或者避孕药开发。由于 CatSper 只在精子细胞中发挥功能，以它为靶点的药物开发可以避免潜在的副作用。”图 | 该团队成员，左起：柯檬、林世翼、闫浈、吴建平、张寓琪（来源：受访人）同时，在此次研究中，吴建平团队也发现了在 CatSper 通道体的组分中，有一个为主要协助转运蛋白家族成员。一般情况下，离子通道是指允许离子通过细胞膜移动的成孔膜蛋白，负责离子运输；转运蛋白是一种跨膜蛋白，负责转运小分子。但 CatSper 通道体却同时包含了通道蛋白和转运蛋白。“最重要的影响还是对人们观念上的冲击。我们的结构表明 CatSper 是一个离子通道和转运蛋白的复合物，这为深入研究 CatSper 的功能调控开辟了新的研究方向。同时，这一结果也为研究和理解其他转运蛋白和离子通道的功能提供了全新思路。”作为西湖大学年轻的 PI，吴建平的研究成果也得到了颜宁的盛赞，“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。我真没有想到仅仅一年半，并且在有疫情冲击的情况下，建平就领导他年轻的课题组就做出了这个重要突破，该研究一下子拓展了针对 CatSper 的功能研究前景。”
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