生物物理所合作研究揭示精子成熟的调控机理

近日，PLoS Biology在线发表了中国科学院生物物理研究所苗龙组副研究员赵艳梅与美国Ronald Ellis实验室(Rowan University)、Kerry Kornfeld实验室(Washington University)和Andrew Singson实验室(Rutgers University)合作研究论文：The zinc transporter ZIPT-7.1 regulates spermactivation in nematodes。该研究利用模式动物秀丽线虫C. elegans鉴定了Zn2+转运蛋白ZIPT-7.1，阐述了ZIPT-7.1蛋白在生殖腺细胞发育过程中对胞内Zn2+水平的调控作用及其影响精子激活运动的分子机制；揭示了Zn2+及其转运蛋白在功能性精子获得调控中的作用机理。

Zn2+是生物体必需的微量元素，在多种生命活动中发挥重要的调控作用。目前的研究多集中于锌结合蛋白的调控上，Zn2+通过与转录因子、蛋白酶等蛋白因子结合，调节蛋白结构与活性进而影响其功能。同时，胞内游离的Zn2+作为信号分子的研究也偶有报道，但调节机制尚不清楚。胞质中游离Zn2+的缺失和过量都是有害的，其胞内平衡主要由两大家族蛋白：ZIP（SLC39，由胞外或者胞内Zn2+ store向胞质转运Zn2+）和ZnT（SLC30，由胞质向胞外或胞内Zn2+ store转运Zn2+）来调控。

Zn2+缺乏可引起男性不育，提示Zn2+在精子发育中也是必不可少的。完成减数分裂的精子需要一个成熟的过程（即精子获能或精子激活）方可发育成为功能性精子。目前，关于这一过程所涉及的生理、生化及精子形态改变的机制了解甚少。C.elegans线虫精子细胞在减数分裂后必须经历激活才能形成具有运动和受精能力的成熟精子，并且其激活过程及相关功能蛋白具有保守性，是研究精子成熟的良好材料。精子激活需要胞外信号的诱导，前期研究发现：Zn2+在精子细胞激活中具有重要调控作用，Zn2+可以依赖于SPE-8信号通路的方式促进线虫精子细胞的体外成熟，并在雌雄同体及雄虫储精囊中高度富集（Liu et al., Development 2013），但Zn2+在线虫生殖腺细胞中的定位及转运机制还未有报道。

该研究通过正反向遗传筛选，在C. elegans中发现并鉴定了Zn2+转运蛋白ZIPT-7.1，研究了ZIPT-7.1调控精子激活的作用机理。ZIP7蛋白进化过程中在elegans种属出现分离，产生了ZIPT-7.1和ZIPT-7.2两个亚蛋白，他们分别在生殖细胞和体细胞中表达，zipt-7.1基因缺失突变后线虫几乎不育，但线虫个体生长发育正常；而zipt-7.2基因缺失突变后线虫胚胎致死；显示了ZIP7蛋白在个体发育中的重要作用。同时ZIPT-7.1和ZIPT-7.2蛋白在进化过程中的分离为研究ZIP7在精子功能中的调控作用提供了条件。该论文系统研究了ZIPT-7.1蛋白在组织及细胞水平上的表达定位，转运Zn2+的特异性；并利用ZIPT-7.1功能缺失突变体，结合C. elegans丰富的遗传资源分析了其在精子激活信号通路中的调控作用，阐述了ZIPT-7.1通过转运Zn2+调节精子激活的分子机理（见下图）。San Francisco State University教授Diana S. Chu同期进行了题为Zinc: A small molecule with a big impact onsperm function 的综述，高度肯定了该研究的重要意义。

该工作是由生物物理所与Rowan University, Washington University和Rutgers University共同合作完成的，生物物理所为第一通讯单位。赵艳梅和博士Chieh-Hsiang Tan(Washington University)以及Amber Krauchunas(Rutgers University)为论文共同第一作者；教授Ronald Ellis和Kerry Kornfeld为论文的共同通讯作者。苗龙及课题组博士生袁志恒参与了该项研究。该研究获得中国国家基金委、科技部以及美国NIH和NSF基金的资助。