《科学》:精子向前冲的关键发现了

澎湃新闻 2021-02-01 07:48 大字

原创 代丝雨 奇点网

不久之前,《科学进展》杂志上的一篇论文让我们认识到了精子真正的运动方式。原来,它们并不是三百多年来人们以为的,左右摆尾前进,而是像钻头一样地螺旋向前冲。

当时还有读者在留言中开玩笑,说可以搞个精子式的泳姿。不过奇点糕觉得,这个运动方式也太复杂了,咱们笨拙的人类恐怕是搞不定。

那么精子们何以能够一边“爱的魔力转圈圈”,一边又笔直地冲向目标呢?

近期发表在《科学》杂志上的一项研究为我们揭示了其中的关键。来自法国的科学家团队发现,一种少有研究的蛋白质修饰方法——甘氨酸化(glycylation),是精子鞭毛正确运动的关键。无法甘氨酸化,精子就只能原地打转,无法前进了。这项研究登上了当期《科学》杂志的封面。我们知道,人体中的蛋白质由DNA编码,但在本身的结构之上,它还可以接受各种各样的化学基团修饰,以此实现更加丰富的功能。像是微管蛋白,它是细胞骨架的主要成分,支撑细胞的形态;微管蛋白也会构成突出细胞表面,像天线一样的纤毛和鞭毛,精子游泳的小尾巴正是一条鞭毛。

不过我们对很多蛋白修饰方法的作用都还不怎么了解。在研究微管蛋白的过程中,科学家们发现有一种修饰方法主要出现在纤毛和鞭毛上,在细胞质内的微管蛋白中却不怎么常见,那就是甘氨酸化。

微管蛋白的甘氨酸化是通过两个过程实现的,涉及到三种不同的微管蛋白-酪氨酸连接酶样甘氨酸化酶(TTLL)。TTLL3和TTLL8在未经修饰的微管蛋白上添加第一个甘氨酸残基,TTLL10则负责延长甘氨酸链。甘氨酸化

研究者尝试着敲除了小鼠体内的TTLL3和TTLL8,这样小鼠就完全无法进行甘氨酸化了。

这种双敲除小鼠可以正常长大,表现和正常小鼠一样,研究者检查了它们的各种组织,也没有发现异常。不过这些小鼠的平均产仔的数量要比正常小鼠少个两成左右,所以研究者认为它们的生育能力应该存在一些问题。

通过体外受精分析,果然,双敲除小鼠的精子体外受精成功率只有正常小鼠的四分之一,可见这些精子,不太健康。

分析精子的健康程度主要看三个标准,精子细胞数量、形态和活力。经过检查,这些精子的问题主要出现在运动能力上,不仅冲劲儿强的精子比例明显下降了,而且精子的曲线速度(VCL)、直线速度(VSL)、平均路径速度(VAP)这三个运动学参数也都明显下降了。

甘氨酸化的缺失明显干扰了鞭毛的正常功能。研究者发现双敲除精子鞭毛的曲率要比正常精子高3倍以上,而震动幅度只有正常的一半,整体运动频率也非常不协调。这使得精子没有办法正常前进,最终表现为一种在原地转圈圈的运动方式。计算机记录下的精子运动轨迹

那么到底缺失甘氨酸化给鞭毛带来了什么变化呢?

研究者通过冷冻电镜分析了双缺失精子的鞭毛结构,发现微管蛋白的组装是没有问题的,鞭毛的结构也很正常,但是肌动蛋白无法协调地活动,因此鞭毛也就不能正常运转了。蛋白结构出现了微小的改变

研究者指出,这种机制很可能是导致精子缺陷的原因之一,这项发现很可能会成为治疗弱精症的一个突破。

参考资料:

[1]https://science.sciencemag.org/content/371/6525/eabd4914

[2]https://www.mpg.de/16227844/0107-mozg-keeping-sperm-cells-on-track-151300-x

本文作者 | 代丝雨

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